對高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化研究

于爽

摘 要：在高層建筑中，一個重要的組成部分就是樁基礎(chǔ)，高層建筑的結(jié)構(gòu)安全與樁基礎(chǔ)的設(shè)計水平是息息相關(guān)的，會產(chǎn)生直接影響。文章主要從樁基礎(chǔ)設(shè)計與工程應(yīng)用的概況入手，對樁基礎(chǔ)簡化設(shè)計的必要性及高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，從而全面提高高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化設(shè)計水平。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ);高層建筑結(jié)構(gòu);簡化;設(shè)計

一、引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐在不斷加快，出現(xiàn)了越來越多的高層建筑。然而，當(dāng)前很多高層建筑在基礎(chǔ)設(shè)計方面仍不夠完善，工程理論的研究要明顯的比工程實踐落后一些，而且要繼續(xù)深入研究樁土分擔(dān)荷載及其各部分的應(yīng)力計算。由于樁基礎(chǔ)的設(shè)計水平關(guān)系到建筑安全，所以要求樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及沉降性能必須良好，承受巨大荷載時仍然能確保高層建筑的穩(wěn)定性。在設(shè)計樁基礎(chǔ)的整個過程中，要嚴(yán)格勘察施工現(xiàn)場，設(shè)計一個合理方案，以保證高層建筑的安全。

二、樁基礎(chǔ)設(shè)計與工程應(yīng)用的概況

從高層建筑實際工程來看，樁基礎(chǔ)設(shè)計是一個基礎(chǔ)部分，只有在完成這部分施工后才能繼續(xù)開展上層建筑的施工，而施工安全和質(zhì)量均與樁基礎(chǔ)設(shè)計水平有關(guān)，也影響到工程進(jìn)度。目前，應(yīng)用比較多的是豎向荷載作用下的樁基礎(chǔ)，樁與土兩者間會有相互作用產(chǎn)生，在很大程度上影響到樁基的設(shè)計。在過去的樁基礎(chǔ)工程設(shè)計中存在這樣的問題，即：靜載試驗和試樁的結(jié)果與設(shè)計的要求標(biāo)準(zhǔn)相距甚遠(yuǎn)。設(shè)計師調(diào)整了設(shè)計參數(shù)后，還想采取加密樁的方式進(jìn)一步調(diào)整，靜載的試驗結(jié)果在這一情況的影響下會比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高出很多，盡管保證了安全性，但是提高了經(jīng)濟(jì)系數(shù)。應(yīng)不斷去改善這種矛盾現(xiàn)象，如果對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的范圍超過太多，則必須要重新試樁，然而要注意的是這一做法會導(dǎo)致建筑工程的工期被拖延，不利于工程進(jìn)行。但是也不應(yīng)該等靜載試驗結(jié)果出來之后再去設(shè)計樁基，那樣不僅是對建設(shè)周期十分不利，還達(dá)不到建設(shè)的要求標(biāo)準(zhǔn)。為此，靜載試驗與試樁設(shè)計之間的差距要如何縮短就成為當(dāng)前亟需解決的問題，同時為保證預(yù)估的各項參數(shù)與實際更接近，還需要更深入的對單樁靜載試驗結(jié)果進(jìn)行研究。

三、樁基礎(chǔ)簡化設(shè)計的必要性

高層建筑是一項龐大的工程，其基礎(chǔ)部分起到較大的作用，需要基礎(chǔ)工程能承受較大的荷載，并且基礎(chǔ)埋置深。從現(xiàn)階段來看，人防工程或是地下停車場等結(jié)構(gòu)需求是大多數(shù)高層建筑都有的，基礎(chǔ)工程施工的過程中就應(yīng)該考慮材料的用量問題，還應(yīng)用到復(fù)雜的施工技術(shù)，工期也很長。此外，在建筑工程的后續(xù)應(yīng)用方面，整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)所起到的作用是不得忽視的，承載力、沉降量、穩(wěn)定性等幾方面是整體選擇中首要考慮的因素，要提升樁基的整體承載力就不得不對樁基礎(chǔ)設(shè)計形式進(jìn)行不斷改進(jìn)。

要摒棄以往的設(shè)計形式，重新對高層建筑上下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，其中要重視樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重要性，對其做出科學(xué)分析和利用。同時按當(dāng)前的分析手段，有限設(shè)計形式能積極引導(dǎo)模型的應(yīng)用，同時還要適當(dāng)?shù)谋容^數(shù)值技術(shù)指標(biāo)，最終做到理論和實踐的統(tǒng)一。通常來說，當(dāng)前并沒有太多可以在堅硬巖石上直接建設(shè)的建筑，多數(shù)基礎(chǔ)工程采用的是箱形基礎(chǔ)、鋼筋混凝土片筏式基礎(chǔ)以及樁基礎(chǔ)。因樁基礎(chǔ)具有穩(wěn)定性好、承載力大、在沉降差較小的情況能保持均勻等優(yōu)勢，良好的性能在動荷載方面也得到充分發(fā)揮。所以，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程中。

此外，高層建筑結(jié)構(gòu)中的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間有相互作用力產(chǎn)生，這時就可以將樁、土以及結(jié)構(gòu)看作是一個整體來對待，采用有限元法來解決問題。通過有限元數(shù)值模型來詳細(xì)的分析土體材料性質(zhì)的空間差異性、復(fù)雜的幾何邊界條件、力學(xué)響應(yīng)的非線性等一些問題，利用數(shù)值技術(shù)模擬施工過程，模擬出可能會在施工中遇到的各種耦合性因素，并且在電算以及編程方面的效率都較強(qiáng)，由此也促使樁基礎(chǔ)設(shè)計的工作量得到簡化。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化設(shè)計對策

在高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)設(shè)計方面，主要特征就是其復(fù)雜又特殊的設(shè)計形式。在設(shè)計的后續(xù)過程中，對設(shè)計指標(biāo)的現(xiàn)有要求要充分考慮到，并且堅持在應(yīng)用階段以實際情況為依據(jù)，詳細(xì)分析具體設(shè)計形式，從而達(dá)到設(shè)計要求。

1、“樁土分離模式”簡化

設(shè)計單樁時為了能達(dá)到簡化目的，可以采用有限元的設(shè)計形式來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計都忽視了樁土結(jié)構(gòu)間的相互作用，比如，通過對地基反力系數(shù)法的使用，可以對樁基起到一定的反作用，通過Winker 進(jìn)行假定，認(rèn)為其受到反力系數(shù)的單純影響，而有限元的各項設(shè)計指標(biāo)會在不同程度上影響著客觀存在的條件。將力學(xué)的線性形式作為基礎(chǔ)，為有效分析各類條件，同時還要綜合分析幾何邊界條件和土地材料的差異性質(zhì)，確保將存在的問題都在短期內(nèi)解決好，這對二次開發(fā)具有重要意義?，F(xiàn)有的樁基設(shè)計對設(shè)計的要點和樁土分離形式都做出明確的規(guī)定，為了使設(shè)計更具有特點和優(yōu)勢，就要在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)簡化。簡化處理單樁主要是劃分樁和土為兩個不同單元，而且是變化的，不是保持靜止的，還可以對該單元進(jìn)行細(xì)化。在將有限元應(yīng)用到單樁簡化處理分析的過程中，要有效劃分單元數(shù)量，注意單元尺寸，從根本上提高工作效率。

2、“樁土復(fù)合模式”簡化

在計算的過程中，采用有限元分析法，對樁的沉降和荷載關(guān)系進(jìn)行模擬，實現(xiàn)優(yōu)化處理。在實際中，按照現(xiàn)有的規(guī)范處理形式，同時通過群樁基礎(chǔ)規(guī)范法，所計算出的沉降值要比荷載實際作用下的沉降值大很多。因此，要讓數(shù)值與簡化處理系數(shù)的要求盡量更接近，同性平面就應(yīng)該選用垂直樁土的平面，而橫觀各向同性體則選用樁土三維結(jié)構(gòu)體系。對于沉降反應(yīng)方面來說，彈性模量和樁土材料的要求是不同的，要認(rèn)識到群樁上面作用荷載的特點是明顯區(qū)別于單樁靜力試樁的，應(yīng)及時簡化計算形式。在工程實踐階段，模擬形式都非常精確，比規(guī)范要求更精準(zhǔn)一些，所以對工程實際測量指標(biāo)帶來直接影響，為了能更好的滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)要求，有必要對其做簡化處理，這對工程來說具有重要意義。

3、確定抗壓承載力

一般在初步設(shè)計時，其基礎(chǔ)都是承載力和地基物理指標(biāo)這兩個因素。為了能夠有效的控制和評估承載力，就要結(jié)合實際承受力去分析各個指標(biāo)以及所存在的誤差。通過試驗樁來設(shè)定和調(diào)整估算值，所以必須能達(dá)到整體的樁基設(shè)計形式要求，抗壓承載力也由此確定。

（1）試驗樁

設(shè)計施工圖的過程中，樁基承載力和其他參數(shù)的取得都要靠靜載試驗來實現(xiàn)。目前，靜載試驗是一種被廣泛應(yīng)用的檢測技術(shù)。當(dāng)前已經(jīng)有了明確的單樁極限承載力的指標(biāo)設(shè)計要求，因此，要按照實際的地質(zhì)形式來確定科學(xué)的檢驗手段。

（2）試打樁

樁基形式分析作為施工前一項主要工作，相關(guān)施工人員在分析的過程中應(yīng)該將測定體系及變動方式結(jié)合起來，以此為基礎(chǔ)，確保所獲得的數(shù)值是準(zhǔn)確又具體的。此外，設(shè)計形式在很大的程度上都會影響著管樁設(shè)計，所以對于誤差的控制采取的最佳辦法就是在測量階段運用變動測試的方式，保證誤差不超過15%。相比靜載試驗形式來說，該試驗方式更具有優(yōu)勢，比如，周期短、成本低、應(yīng)用范圍廣等。

結(jié)語

綜上所述，基礎(chǔ)工程在高層建筑中需要承受很大的荷載，其重要性是不容忽視的。而樁基礎(chǔ)是一種基礎(chǔ)工程施工形式，沉降性能好又有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于高層建筑中。所以，要簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)就顯得尤為重要，這對建筑行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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