高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的荷載取值探討

李伊

華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣西 南寧 530000

1 設(shè)計(jì)荷載取值對結(jié)構(gòu)安全的影響

1.1 豎向荷載

當(dāng)前，建筑上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算模型通常是基于基礎(chǔ)均勻沉降的前提下，而如若基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，將會導(dǎo)致建筑上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算出現(xiàn)偏差。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對建筑基礎(chǔ)的沉降差以及傾斜值的要求給予了明確的規(guī)定，如此不僅能夠確保建筑使用的安全性，而且能夠有效避免基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，防止建筑上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部附加應(yīng)力而導(dǎo)致的裂縫問題；且如若建筑基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，往往會導(dǎo)致建筑上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布，并形成一個(gè)附加應(yīng)力，而此應(yīng)力在原先的設(shè)計(jì)計(jì)算中又未予以考慮，因此，就會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的安全度無法滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求。另外，由于風(fēng)力荷載或地震作用對建筑物產(chǎn)生的附加軸力通常是中間小、周邊大，且對于高層建筑物而言這種附加軸力作用更加顯著。但是，因建筑物基礎(chǔ)的沉降與長期荷載效應(yīng)是相應(yīng)的，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載和地震作用則較少出現(xiàn)。因此，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載的取值時(shí)，如若按照各個(gè)基本荷載組合的基頂最大軸力進(jìn)行建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，將會導(dǎo)致在長期荷載組合的作用下建筑物出現(xiàn)整體不均勻沉降，并在建筑上部結(jié)構(gòu)形成附加應(yīng)力導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂。換而言之，按照各個(gè)基本荷載組合的基頂最大軸力進(jìn)行建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，并非能夠提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性能，但如若建筑基礎(chǔ)頂部的設(shè)計(jì)荷載取值過小，就會在一定程度上導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)破壞，甚至?xí)?dǎo)致建筑出現(xiàn)整體失穩(wěn)。

1.2 水平荷載

通常，建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是基于豎向設(shè)計(jì)荷載，并結(jié)合水平承載力進(jìn)行相關(guān)核算。一般情況下，高層建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)多采用較大的深基坑形式，其具有良好的水平嵌固作用，且能夠有效滿足建筑水平承載的相關(guān)要求，此時(shí)建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的水平荷載選取何種組合方式不會對建筑上部結(jié)構(gòu)造成太大影響。但如若水平荷載過大而按照豎向荷載進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，往往會造成其水平承載性能不夠，則須加大基礎(chǔ)構(gòu)件截面尺寸或埋深，以防止水平荷載取值不當(dāng)而對建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成影響，甚至導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)倒塌的情況。

2 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的荷載取值

2.1 豎向荷載取值

建筑基礎(chǔ)的沉降變形主要是由三個(gè)部分所組成，分別為瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降以及次固結(jié)沉降，其中，在基礎(chǔ)沉降變形中瞬時(shí)沉降占比最小，主固結(jié)及次固結(jié)沉降則表現(xiàn)出了較為顯著的時(shí)間效應(yīng)。由此可見，在進(jìn)行建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載的取值時(shí)，驗(yàn)算其豎向承載能力應(yīng)以永久荷載與活荷載的基本荷載組合為主，同時(shí)，還應(yīng)將風(fēng)力荷載影響以及地震荷載的影響考慮在內(nèi)。具體而言，是指對于建筑基礎(chǔ)不需要進(jìn)行抗震計(jì)算的，應(yīng)在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)采用永久荷載與活荷載組合的基頂荷載取值對樁數(shù)及基底面積進(jìn)行控制，而永久荷載與風(fēng)載（或永久荷載、活荷載與風(fēng)載）效應(yīng)組合的基頂荷載可依據(jù)豎向偏心荷載影響下的承載力公式予以驗(yàn)算：即γ0Nmax≤1.2R（該式中的γ0是指重要性系數(shù)，Nmax是指最大基底應(yīng)力，R是指地基承載力設(shè)計(jì)值）。通過上述公式可知，當(dāng)在各種基本荷載組合作用下的基礎(chǔ)頂面最大軸力小于1.2倍永久荷載與活荷載組合作用下的基礎(chǔ)頂面最大軸力時(shí)，樁基數(shù)量及基底面積須以永久荷載與活荷載組合作用下的基礎(chǔ)頂面荷載來進(jìn)行控制，反之則須以基本荷載組合作用下的基礎(chǔ)頂面最大軸力1.2來進(jìn)行控制。另外，在需要考慮抗震計(jì)算的建筑工程中，可通過采取類似于非抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，但不同之處在于在按照公式γ0Nmax≤1.2R進(jìn)行荷載的驗(yàn)證計(jì)算時(shí)，往往需要將永久荷載與風(fēng)載（或活荷載及風(fēng)載）組合作用下的基礎(chǔ)頂面內(nèi)力和重力與地震作用組合下的基礎(chǔ)頂面內(nèi)力進(jìn)行區(qū)分。

此外，對于建筑地基為非液化土?xí)r，建筑基礎(chǔ)承載力可按照《建筑抗震規(guī)范》的相關(guān)設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)提升，此時(shí)即便地震荷載作用對基頂內(nèi)力比風(fēng)載作用造成的影響大，地震荷載與重力組合作用下的基頂內(nèi)力也不一定比永久荷載與風(fēng)載（或永久荷載與活荷載及風(fēng)載）組合作用下的基頂內(nèi)力危險(xiǎn)；而對于建筑地基為液化土或存在液化土地層時(shí)，因液化土層的承載性能較弱，即便地震荷載的作用對基頂內(nèi)力比風(fēng)載造成的影響小，地震荷載與重力作用下的基頂內(nèi)力也不一定比永久荷載與風(fēng)載（或永久荷載與活荷載及風(fēng)載）組合作用下的基頂內(nèi)力安全。因此，在使用地震荷載與重力組合作用下的基頂內(nèi)力進(jìn)行建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的驗(yàn)算時(shí)，完成修正后的地基承載力特征值已經(jīng)將地基承載力提高系數(shù)以及液化土層的影響數(shù)值進(jìn)行了考慮。同時(shí)，由于風(fēng)載或地震荷載對高層建筑物的基礎(chǔ)頂面軸力會造成較大的影響，且各種基本荷載組合作用的基頂軸力通常要大于永久荷載與活荷載組合作用下的基頂內(nèi)力，所以，按照上述方式開展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算，相對單純按照基頂軸力開展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算更加合理。

2.2 水平荷載取值

高層建筑往往會受到風(fēng)載以及地震荷載的影響，因此，在建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)須要考慮水平荷載的影響。另外，除了會受到風(fēng)載和地震荷載的影響外，對處于水土壓力不平衡的河道或坡地等位置的建筑基礎(chǔ)，還應(yīng)將動(dòng)水及靜水壓力對其的影響考慮在內(nèi)。此外，在建筑基礎(chǔ)的非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，由于基礎(chǔ)水平變位的影響比土體側(cè)向變形更加顯著，因此，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的水平荷載值通常是選基礎(chǔ)頂部剪力的最大值。

3 結(jié)束語

高層建筑往往重心高、荷載大、受力復(fù)雜，對基礎(chǔ)底面荷載多存在偏心，因而，也極易導(dǎo)致建筑基礎(chǔ)出現(xiàn)沉降不均等情況。而為最大限度規(guī)避基礎(chǔ)沉降不均，設(shè)計(jì)人員須對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的相應(yīng)荷載取值予以科學(xué)選定，并做好嚴(yán)格審核、驗(yàn)算，以確保荷載取值正確合理，從而為確保建筑基礎(chǔ)的安全穩(wěn)固提供切實(shí)保障。