高層建筑地基基礎概念設計-建筑設計論文
高層建筑地基基礎概念設計
沈明
摘要：高層建筑基礎作為高層建筑結構設計的一個非常重要的部分，在進行地基基礎設計時除了考慮本身的強度和剛度外，還應考慮上部結構體系、地理環(huán)境條件、施工條件及周邊環(huán)境因素，才能設計出既安全又經(jīng)濟的基礎形式。
關鍵詞：結構設計 高層建筑 基礎設計 概念設計
前言
概念設計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，根據(jù)整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體角度來確定建筑結構總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。它要求在設計過程中始終貫穿和應用結構概念，是一種定性而非定量的分析，是整體宏觀控制和細部構造措施，設計原理和工程實踐經(jīng)驗相結合的設計思想。在方案設計階段就運用概念設計的思想是非常必要和及時的，而且要將它貫穿應用于整個設計過程，才能為建筑結構的安全性、可靠性、適用性和經(jīng)濟性提供有力的保證。本文論述了概念設計在高層建筑基礎設計中的應用。
一、筏型基礎的設計理論
隨著城市的發(fā)展,高層建筑的地下室一般都被用作地下車庫的使用空間。所以設計人員往往傾向于采用筏型基礎，而不愿意選擇縱橫內隔墻較多的箱型基礎。筏型基礎又可分為梁板式筏基和平板式筏基。
計算筏板基礎時，常用的方法有“倒樓蓋”法、靜定法(截面法)、彈性地基梁板方法和有限元分析方法。“倒樓蓋”法和靜定法都是一種簡化計算方法。按“倒樓蓋”法進行基礎設計時，要求地基土比較均勻、筏板基礎的剛度較大、上部結構剛度較大、柱軸力及柱距相差不大、荷載分布比較均勻；按靜定法計算的要求與“倒樓蓋”法大部分相同，只是靜定法適用于上部結構剛度較小、柱軸力及柱距相差較大的情況。用上述兩種方法計算的缺點是不能考慮基礎的整體作用，也無法計算撓曲變形,“倒樓蓋”法夸大上部結構剛度的影響，靜定法則完全忽略了上部結構剛度的影響。當不滿足上述要求時應按彈性地基梁板計算。近年來,隨著計算軟件的進步，上部結構、基礎和地基共同作用分析法在筏板基礎內力計算中得到廣泛運用，該分析法基礎按彈性地基上板考慮，地基模型一般采用文克爾地基、彈性半空間地基和壓縮層地基等地基模型,常用數(shù)值分析方法為有限元法、有限差分法等，其中有限元法較為常用。
二、樁筏復合基礎的設計理論
《建筑地基基礎設計規(guī)范》第8.5.14條規(guī)定，樁基設計時,應結合地區(qū)經(jīng)驗考慮樁、土、承臺的共同工作。相關規(guī)范對樁筏復合基礎的計算方法并未做出統(tǒng)一規(guī)定，采用的計算方法也不盡相同，多根據(jù)當?shù)厍闆r和經(jīng)驗確定，大致有以下兩種計算方法。
1、假定整個建筑物和重量全部由樁傳到地基中去，而承臺板只起連接樁頂和傳遞上部荷載的構造作用。在群樁布置中使樁的受力均勻，樁群形心與上部結構傳給基礎的荷載重心盡量重合。當群樁數(shù)量較多時，采用了“外密內疏”的內樁方法,即適當減少群樁中部的樁數(shù)而增加外圍樁數(shù)。應該說，這種方法主要以樁受力為主，這種情況下，沒有考慮承臺板基礎的支承力,將會增加樁的數(shù)量，造成浪費。
2、發(fā)揮樁土的共同承載作用，利用天然地基的承載力，采用控制沉降的方法將上部荷載由樁和筏板共同互補承擔，使樁的數(shù)量及筏板厚度得以減少。
建筑物的沉降一般分為沉降量和沉降差。減沉設計是控制沉降而設置樁基的方法。也即是在設計時由基礎的沉降控制值來確定樁數(shù)和樁長。減沉設計概念主要應用于軟土地基上多層或小高層建筑的基礎設計中，樁在基礎中除承擔部分荷載外主要起減少和控制沉降的作用，樁可視為減少沉降的措施，或作為減少沉降的構件來使用。同時，承臺或筏板也能分擔部分荷載，與按樁承擔全部荷載設計的樁基相比，根據(jù)不同的容許沉降量要求，用樁量有可能減少，樁的長度也可能減短，因而可達到降低工程造價的效果。
3、減沉設計的內容
（1）樁長及樁身斷面選擇。選擇樁長應盡可能穿過壓縮性高的土層，樁端置于相對較好的持力層。在承臺產生一定沉降時樁仍可充分發(fā)揮并能繼續(xù)保持其全部極限承載力：選擇樁身斷面應使樁身結構強度確定的單樁容許承載力與地基土對樁的極限承載力二者匹配，以充分發(fā)揮樁身材料的承載能力。
（2）承臺埋深及其地面尺寸的初步確定。首先按外荷載，全部由承臺承擔時其極限承載力仍有一定安全儲備的原則，先初步確定承臺的埋深及其底面尺寸，然后確定減沉設計的用樁量,再驗算承臺的初步尺寸，并給予調整。
（3）不同用樁數(shù)量時樁基沉降計算。根據(jù)初定的承臺埋深及其底面尺寸，原定若干種不同的用樁數(shù)量方案，分別計算相應的沉降量，從而得到沉降s與樁數(shù)n的關系曲線圖，減少沉降樁基礎的樁距一般應大于6 d,樁的分布與建筑物豎向荷載相對應。
4、減沉設計的基本原則
（1）設計用樁數(shù)量可以根據(jù)沉降控制條件，即允許沉降量計算確定。根據(jù)沉降s與樁數(shù)n關系曲線,按建筑物容許沉降量確定樁基實際所需的用樁數(shù)量。在用樁數(shù)量確定后，再按已經(jīng)選定的樁數(shù)和初步確定的承臺埋深及底面尺寸計算其極限荷載，驗算安全系數(shù)或調整承臺埋深及底面尺寸，以確保合理的安全度。減沉樁基礎樁距較常規(guī)樁筏基礎布樁要大，一般至少大于4倍~6倍樁徑，故其介于天然地基淺基礎與樁基礎之間。
（2）基礎總安全度不能降低，應按樁、土和承臺共同作用的實際狀態(tài)來驗算。因而減沉樁基礎也稱之為控制變形疏樁基礎。對于減沉樁筏基礎的沉降計算則應結合當?shù)亟?jīng)驗考慮樁土共同作用。
（3）為保證樁、土、和承臺共同工作，應采用摩擦型樁，使樁基產生可以容許的沉降，承臺不致脫空，在樁基沉降過程中充分發(fā)揮樁端持力層的抗力。在上部土層為松軟土質、次固結土以及承載力太低土組成時，樁與樁間土共同作用得不到保證時，就不能考慮樁與樁間土共同作用，而應該按現(xiàn)行樁基設計。
在共同工作分析中要重視的問題是如何根據(jù)共同工作分析的成果優(yōu)化設計，而優(yōu)化設計的關鍵乃是盡量減小沉降差，從而降低筏板內力和上部結構次應力，減小筏板厚度和配筋,提高樁筏基礎的可靠性。為此，提出變剛度調平設計的概念和方法。這也是發(fā)展控制變形設計的一個重要內容。
三、變剛度調平設計
1、變剛度調平設計的內容
對無限大地基上的局部區(qū)域，其沉降應與該區(qū)域的荷載成正比，而與其剛度成反比。地基局部區(qū)域沉降較大，是該處荷載較大而剛度較小所致。削減該處的荷載或增大該處的剛度就可以減少該處的沉降。
高層建筑樁筏基礎的荷載分布是由上部結構確定的。而上部結構由于受到功能的限制，一般很難進行調整。只能調整基礎的剛度，對于樁筏基礎，可通過變化板厚、設置肋梁,縮小墻距等調整基礎剛度分布。但費用往往很高，因此減少某處的沉降或進行調平設計主要是針對筏底布樁與筏底地基土。調整地基樁土剛度分布不僅可行而且調平效果顯著，是變剛度調平設計的中心內容。變剛度調平設計考慮上部結構形式、荷載和分層分布以及相互作用效應,通過調整樁徑、樁長、樁距等改變基樁支承剛度分布，以使建筑物沉降趨于均勻、承臺內力降低的設計方法。
2、變剛度調平設計的步驟
（1）根據(jù)設計資料，按上部結構的性質、荷載分布情況、地質條件、基礎埋置深度等進行初始布樁并確定板厚。
（2）對上部結構、樁筏基礎與地基共同作用進行分析，繪制基礎沉降圖形。
（3）對基礎沉降圖形進行分析，按“強化主體,弱化裙房”的原則進行設計。當天然地基總體沉降不大而局部沉降過大時，根據(jù)具體條件，對主體沉降過大部分采用局部加強處理。如采用筏底布樁或復合地基,在樁基沉降較小部位，應抽掉一部分樁；或視土層情況適當縮短樁長或減小樁徑。對沉降較大的部位,應適當加密布樁或視土層情況,適當增加樁徑樁長，重新形成剛度體系。是改變樁的平面布置、樁數(shù)、樁長、樁徑以改變樁土剛度,還是采用復合地基改變筏底地基土和樁—土界面的性質,選擇的標準只能是根據(jù)技術可行性與經(jīng)濟合理性。一般來講，對樁筏基礎，樁在基礎中占主導地位，改變基樁的參數(shù)效果顯著。
（4）進行共同工作迭代計算,直至沉降差減到最小。在此過程中，可根據(jù)沉降圖形，判斷主裙樓間是否設置后澆帶或沉降縫，是否需對基礎板厚和構造進行調整等。顯然,調平設計的關鍵在于合理地計算樁筏基礎的沉降分布與沉降差。
3、變剛度調平設計的優(yōu)點
減小核心筒沖切力，降低承臺整體彎矩；優(yōu)化承臺設計，降低造價；減小地基差異變形，降低上部結構剛度次應力，提高耐久性；合理發(fā)揮樁、土、承臺共同作用。過去人們一直認為：與承載力計算相比，沉降計算更困難且更不可靠。其實，如果采用恰當?shù)?a href='http://www.jinnzone.com/shuxue/' target='_blank'>數(shù)學模型、最大相互作用間距等，利用簡化分析方法足以達到工程目的。調平設計的沉降分析比減沉設計的要求更高。不過，隨著計算軟件的發(fā)展,現(xiàn)在很多沉降分析計算程序都可以做到。
結語
對于實際存在的大量無法計算的結構構件的設計，可以運用優(yōu)秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的，彌補現(xiàn)行結構設計理論與計算理論之間存在的某些缺陷或不可計算性。
參考文獻：
