高層建筑結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法探討

李洪岳

摘要：文章分析高層建筑基礎(chǔ)的類型及高層建筑基礎(chǔ)的埋置深度需要考慮的因素，探討高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，以供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu);筏板基礎(chǔ);安全;經(jīng)濟(jì);合理

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)形勢(shì)及科技的迅猛發(fā)展，高層建筑的建設(shè)呈現(xiàn)出數(shù)量大，層數(shù)多，結(jié)構(gòu)體系新穎，計(jì)算理論和施工方法不斷更新的趨勢(shì)。高層建筑的受力復(fù)雜，對(duì)基礎(chǔ)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求也更加嚴(yán)格?；A(chǔ)工程的設(shè)計(jì)與施工對(duì)高層建筑本身及其周圍環(huán)境的安全至關(guān)重要，其造價(jià)與工期對(duì)高層建筑總造價(jià)與總工期有舉足輕重的影響。在各種復(fù)雜的地質(zhì)條件下建造高層建筑，首先必須經(jīng)濟(jì)合理地做好基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

一、高層建筑基礎(chǔ)的類型

高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮上部結(jié)構(gòu)的類型、整體性和結(jié)構(gòu)剛度、地基土條件、抗震設(shè)防要求、施工技術(shù)、周圍建筑物和環(huán)境條件等各方面因素。一般情況下，高層建筑宜優(yōu)先選用整體性較好的箱形基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)。當(dāng)層數(shù)少、高度不太高、地基情況較均勻時(shí)，可考慮采用交叉梁式基礎(chǔ)。高層建筑通常不宜采用獨(dú)立柱基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)鼗休d力不足、沉降量大時(shí)，可采用箱形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)組合而成的樁筏基礎(chǔ)。高層建筑直接建造在基巖上時(shí)，可考慮采用條形基礎(chǔ)或單獨(dú)基礎(chǔ)。裙房層數(shù)少、荷重輕、面積大，當(dāng)不需要設(shè)置地下室時(shí)，可采用交叉梁基礎(chǔ)和加拉梁的獨(dú)立基礎(chǔ)。

二、筏板基礎(chǔ)埋深及承載力的確定

城區(qū)由于用地緊張，高層建筑密集，因此需設(shè)置車庫、人防工程、設(shè)備用房和水池等地下室，并由其使用功能要求決定地下室的層高和層數(shù)，這就基本確定了基礎(chǔ)底板的埋置深度，然后，根據(jù)該深度結(jié)合建筑場(chǎng)地的巖土工程特點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)選型，研究選擇天然筏板基礎(chǔ)的可能性。由于地下室具有一定的埋深及地區(qū)的地下水位較高，天然筏板基礎(chǔ)屬于補(bǔ)償性基礎(chǔ)，因此地基的確定有兩種方法：一是地基承載力設(shè)計(jì)值的直接確定法。它是根據(jù)地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值按照有關(guān)規(guī)范通過深度和寬度的修正得到承載力設(shè)計(jì)值，并采用原位試驗(yàn)（如標(biāo)貫試驗(yàn)、壓板試驗(yàn)等）與室內(nèi)土工試驗(yàn)相結(jié)合的綜合判斷法來確定巖土的特性。二是按照補(bǔ)償性基礎(chǔ)分析地基承載力。

例如：某棟地上28層、地下2層（底板埋深l0m）的高層建筑，由于將原地面下l0m 厚的原土挖去建造地下室，則卸土土壓力達(dá)180Kpa，約相當(dāng)于l1層樓的荷載重量;如果地下水位為地面下2m，則水的浮托力為80Kpa，約相當(dāng)于5 層樓的荷載重量，因此實(shí)際需要的地基承載力為l4 層樓的荷載。即當(dāng)?shù)鼗休d力標(biāo)準(zhǔn)值f≥250Kpa 時(shí)就能滿足設(shè)計(jì)要求，如果筏基底板適當(dāng)向外挑出，則有更大的可靠度。

三、筏板基礎(chǔ)的可行性分析

高層建筑能否考慮選定筏板基礎(chǔ)，主要應(yīng)對(duì)以下3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)算：

1、基礎(chǔ)埋深的確定。高層建筑一般均設(shè)有地下室，所以筏板基礎(chǔ)的埋置深度往往取決于建筑高度、地下室層數(shù)及層高，如果建筑物的抗傾覆力能滿足要求，就可根據(jù)該深度結(jié)合下臥土層的巖土工程性質(zhì)，進(jìn)行筏板基礎(chǔ)的天然地基承載力及沉降計(jì)算，以確定其是否可行。

2、沉降計(jì)算。沉降計(jì)算是地基驗(yàn)算的重要組成部分，它不僅影響建筑物的可使用性，而且在筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起重要作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師往往對(duì)確定地基承載力有較大把握，而在地基變形的計(jì)算上卻難以把握。筆者認(rèn)為，雖然目前未能從理論上對(duì)地基的變形進(jìn)行精確計(jì)算，但只要能對(duì)變形的計(jì)算參數(shù)合理取值，選用合適的計(jì)算方法，并根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)作出修正，就仍能獲得與實(shí)際情況較接近的總沉降計(jì)算值，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

3、基礎(chǔ)方案的確認(rèn)：根據(jù)上部建筑結(jié)構(gòu)布置具體情況、巖土勘察報(bào)告的結(jié)果、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、經(jīng)安全經(jīng)濟(jì)比較，確認(rèn)所選基礎(chǔ)適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)、符合使用要求（如地下室使用功能-車庫、人防、商場(chǎng)等）、滿足地基基礎(chǔ)要求以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)上合理。在內(nèi)力分析時(shí)應(yīng)采用合理的計(jì)算方法，對(duì)于地基比較均勻、筏板基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大、柱軸力及柱距相差不大時(shí)，可以采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，其最基本的特點(diǎn)是將由上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基3部分構(gòu)成的一個(gè)完整的靜力平衡體系，分割成3個(gè)部分，獨(dú)立求解計(jì)算簡(jiǎn)便。其缺點(diǎn)是完全不能考慮基礎(chǔ)的整體作用，也無法計(jì)算撓曲變形，夸大上部結(jié)構(gòu)剛度的影響。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)整體剛度小、地質(zhì)條件不利時(shí)，應(yīng)把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三者作為一個(gè)共同工作的整體加以分析。通過上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與地基連接界面處變形協(xié)調(diào)，使整個(gè)體系符合靜力平衡。對(duì)于筏板基礎(chǔ)，由于考慮了上部結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，使其整體彎曲變形和內(nèi)力減小，而取得較為經(jīng)濟(jì)的效果;對(duì)于上部結(jié)構(gòu)，由于考慮了因基礎(chǔ)變形引起的變形，其變形將使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，考慮了這種附加應(yīng)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將更安全。

四、影響基礎(chǔ)板厚的因素

1、基礎(chǔ)沉降的不均勻性。荷載分布和地基巖土的不均勻性勢(shì)必導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉降。除沉降無法控制在允許范圍內(nèi)，需對(duì)較軟弱的地基應(yīng)進(jìn)行加固處理外。一般情況下可以采用加大板厚以增加基礎(chǔ)底板的剛度的辦法來調(diào)整

2、基礎(chǔ)與地基巖土的相對(duì)剛度。規(guī)范規(guī)定筏板基礎(chǔ)的板厚由抗沖切和剪切來確定，而在抗沖切驗(yàn)算時(shí)必須減除沖切范圍內(nèi)的反力，基礎(chǔ)與地基巖土的相對(duì)剛度對(duì)該反力的大小有一定程度的影響，當(dāng)基礎(chǔ)相對(duì)地基巖土有較大的剛度時(shí)，該反力會(huì)相對(duì)較小，因而由抗沖切確定的板厚會(huì)相對(duì)較大，反之基礎(chǔ)板厚會(huì)相對(duì)較小。

3、柱或剪力墻的位置。由于基礎(chǔ)邊緣的地基反力通常比中間大，因此當(dāng)柱底具有相同的軸力及沖切面積時(shí)，緣于基礎(chǔ)與地基巖土的相對(duì)剛度對(duì)基礎(chǔ)板厚影響的同樣道理，基礎(chǔ)邊緣的柱或剪力墻抗沖切確定的板厚會(huì)相對(duì)較大。這時(shí)，可將柱或剪力墻處一定范圍內(nèi)的基礎(chǔ)底板適當(dāng)加厚，以滿足抗沖切的要求。

五、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意的問題

1、應(yīng)盡量使上部結(jié)構(gòu)的荷載合力重心與筏基形心相重合，從而確定底板的形狀和尺寸。當(dāng)需要將底板設(shè)計(jì)成懸挑板時(shí)，要綜合考慮上述多方面因素以減小基礎(chǔ)端部基底反力過大而對(duì)基礎(chǔ)彎距的影響;

2、底板厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算確定。柱網(wǎng)間距較大時(shí)可在柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶（暗梁加配箍筋）來提高抗沖切強(qiáng)度以減少板厚，也可采用后張預(yù)應(yīng)力鋼筋法來減少混凝土用量和造價(jià)。決定板厚的關(guān)鍵因素是沖切，應(yīng)對(duì)筏基進(jìn)行詳細(xì)的沖切驗(yàn)算;

3、無肋梁筏板基礎(chǔ)的配筋可近似按無梁樓蓋設(shè)柱上板帶和跨中板帶（倒樓蓋法）的計(jì)算方法進(jìn)行，精確計(jì)算可用有限元法;對(duì)肋梁式筏基，當(dāng)肋梁高度比板厚大得較多時(shí)，可分別計(jì)算底板和肋梁的配筋，即底板以肋梁為固定支座按雙向板計(jì)算跨中和支座彎矩，并適當(dāng)調(diào)整板跨中和支座的配筋;

4、構(gòu)造配筋要求：筏板受力筋應(yīng)滿足規(guī)范中0.15%的配筋率要求，懸挑板角處應(yīng)設(shè)置放射狀附加鋼筋等。設(shè)計(jì)人員往往配置受力鋼筋有余，構(gòu)造鋼筋卻配置不足。

六、結(jié)束語

高層建筑基礎(chǔ)選型是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工難度和工期，因此應(yīng)認(rèn)真研究場(chǎng)地巖土性質(zhì)和上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。高層建筑的基礎(chǔ)選型應(yīng)因地制宜，除基礎(chǔ)應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范允許的沉降量和沉降差的限值外，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合規(guī)范對(duì)強(qiáng)度、剛度和延性的要求，選用何種基礎(chǔ)形式不是絕對(duì)的，而安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理才是基礎(chǔ)選型的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李國勝.簡(jiǎn)明高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995

[2]袁聚云，李鏡培，樓曉明等.基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)原理.上海：同濟(jì)大學(xué)，2001

[3]陽吉寶，仁臻，帶裙房的高層建筑基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì).土木工程學(xué)報(bào).1998，（10）

[4]倪光樂，李成明，蘇克之.彈性矩形板與彈性地基共同作用的簡(jiǎn)化計(jì)算法.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2000.9