高層建筑結(jié)構(gòu)體系與地基基礎(chǔ)的選型分析

 覃世彪
摘 要：從高層建筑按結(jié)構(gòu)材料劃分、結(jié)構(gòu)形式劃分、選型的影晌因素以及體系優(yōu)化對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型和地基基礎(chǔ)選型進(jìn)了分析，結(jié)合實(shí)例對(duì)期進(jìn)行了應(yīng)用分析。
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)體系；地基基礎(chǔ)

引言
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程是設(shè)計(jì)者發(fā)揮主觀能動(dòng)性的過程，同時(shí)也是知識(shí)運(yùn)用和經(jīng)濟(jì)分析高度融合的過程。由于每一個(gè)設(shè)計(jì)工作者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)都是有差別的，正是這種差別的存在，導(dǎo)致了對(duì)于一個(gè)功能相同，約束條件相同的設(shè)計(jì)，不同的結(jié)構(gòu)工程師可能采用不同的結(jié)構(gòu)體系，設(shè)定不同的空間尺度、選用不同的結(jié)構(gòu)材料來實(shí)現(xiàn)同一設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而，采用不同材料不同的結(jié)構(gòu)體系以及不同的空間尺度，往往經(jīng)濟(jì)性能都不相同，甚至相差很大。
1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型分析
1.1 高層建筑按結(jié)構(gòu)材料劃分
(l)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理利用了鋼筋和混凝土兩種材料的協(xié)同受力性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)中。它具有取材豐富，造價(jià)較低，耐久性和耐火性較好，維護(hù)費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)造型靈活，整體性能好等優(yōu)點(diǎn)。
(2)鋼結(jié)構(gòu)體系
鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高，抗震性能好，構(gòu)件截面小，工廠化生產(chǎn)程度高，施工方便，建設(shè)周期短，大跨度、大空間、多用途等特點(diǎn)。同時(shí)它也具有結(jié)構(gòu)材料較昂貴，造價(jià)較高，鋼材易于銹蝕，日后維護(hù)費(fèi)用高，防火性能較差，設(shè)計(jì)施工技術(shù)較復(fù)雜等缺點(diǎn)。
(3)鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)體系
鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)將鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件兩者并用，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，既充分利用了鋼構(gòu)件具有的材料強(qiáng)度高，截面尺寸小，能提供較大跨度空間的優(yōu)點(diǎn)，也利用了鋼筋混凝土墻體或筒體具有的較大的抗側(cè)剛度和較高的抗震承載力等優(yōu)點(diǎn)。
(4)鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)體系
鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)主要包括型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是指混凝土內(nèi)含型鋼的勁性配筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。
1.2 高層建筑按結(jié)構(gòu)形式劃分
多層及高層建筑中傳統(tǒng)的、廣為應(yīng)用的是框架、剪力墻、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在高度較大的高層建筑中，應(yīng)用較多的是框架一筒體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)及多筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。
1.3 高層建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化
l)增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。這樣做，是非常直接的，也是非常有效的。增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。
2)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分體系時(shí)，應(yīng)使其構(gòu)件以最有效的方式相互作用。
3)增大最有效承受荷載構(gòu)件的面積，充分發(fā)揮材料的自身強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該時(shí)刻考慮的問題以及應(yīng)該具有的基本結(jié)構(gòu)概念。
4)水平作用的傳遞主要是依靠樓板，并且目前幾乎所有的結(jié)構(gòu)分析理論所采用的基本假定都是樓板水平剛度無限大。
2高層建筑地基基礎(chǔ)選型分析
2.1 建筑地基基礎(chǔ)類型
多層及高層房屋的基礎(chǔ)類型有很多種，按照不同的劃分方法有不同的類型。按基礎(chǔ)所使用的材料可分為磚基礎(chǔ)、毛石基礎(chǔ)、灰土基礎(chǔ)、混凝土基礎(chǔ)、鋼筋混凝土基礎(chǔ);按基礎(chǔ)的埋置深度可分為淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)，其中埋置深度小于5米的基礎(chǔ)稱為淺基礎(chǔ)，埋置深度大于5米的基礎(chǔ)稱為深基礎(chǔ);按基礎(chǔ)的受力性能可分為剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ);按基礎(chǔ)的構(gòu)造形式可分為條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)、滿堂基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。
具體選用哪一類型的樁基礎(chǔ)，應(yīng)該根據(jù)建筑物地基的地質(zhì)條件、建筑物高度、上部結(jié)構(gòu)類型、荷載情況、單樁設(shè)計(jì)承載力和建筑物周邊環(huán)境以及建筑物所在地的施工水平等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后綜合加以確定。
2.2 選擇地基基礎(chǔ)類型的原則
選擇地基基礎(chǔ)方案時(shí)，一般都優(yōu)先考慮采用淺基礎(chǔ)，持力層設(shè)置在天然土層上。由于這類基礎(chǔ)埋置不深，無需復(fù)雜的施工設(shè)備，用料較省，開挖基坑，必要時(shí)排水疏干后和支護(hù)坑壁，地基不加處理即可修建，故工期短，造價(jià)低。僅當(dāng)淺基礎(chǔ)難以適應(yīng)較差的地基條件或上部結(jié)構(gòu)的荷載、構(gòu)造及使用要求時(shí)，才考慮采用大型或復(fù)雜的淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)或人工處理地基等造價(jià)較高、施工技術(shù)較特殊的地基基礎(chǔ)方案。
3 實(shí)例分析
3.1 工程概況
某工程一層地下室為商場(chǎng)，二層地下室為人防及設(shè)備用房，平時(shí)為地停車庫。平面軸線尺寸為 68.0m 114.3m，標(biāo)準(zhǔn)層尺寸為45.0m l5.8m，一層層高為5.lm，二層至五層層高為4.8m，六層以上層高為3m，第六層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，屬A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑。
3.2 本工程結(jié)構(gòu)體系的確定
(l)結(jié)構(gòu)體系
本工程根據(jù)建筑使用功能要求，采用鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)。在6層設(shè)置設(shè)備層兼作轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層以下采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，有利于空間的更好利用，采用矩形柱大柱網(wǎng)，可以取得較大空間;轉(zhuǎn)換層以上采用剪力墻結(jié)構(gòu)，使住宅各房間美觀大方，使用方便，同時(shí)為住宅營(yíng)造了最大使用空間。
(2)屋蓋及樓蓋結(jié)構(gòu)
本工程布置有較大的中庭，樓板開洞面積較大，因此采取加強(qiáng)中庭周圍樓板的剛度及配筋，同時(shí)加大部分邊梁的截面等手段。通過這些措施提高建筑物的整體剛度。
(3)結(jié)構(gòu)材料
A.混凝土強(qiáng)度等級(jí)和抗?jié)B等級(jí)
各部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)和抗?jié)B等級(jí)見表1。   

                                         表1 各部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)和抗?jié)B等級(jí)

梁、柱、樁縱筋:HRB400，d=6-28mm;
梁、柱、樁箍筋及墻受力、分布筋:HRB400，d=6-14Inm;HPB235，d=8-14mm;
現(xiàn)澆板受力筋:HRB400，d=6-14mm;HPB235，d=8-14mm;
現(xiàn)澆板分布筋:HPB235，d=6-12mm。
結(jié)構(gòu)鋼材:Q235B鋼，f=205N/mm2，fv=120N/Inm2;Q345鋼，
F=300N/mm2，fv= 175N/mm2。
焊條 :HPB235鋼筋，Q235B鋼焊接:E43系列;HRB335鋼筋焊接:E50系列;HRB400鋼筋焊接:E55系列。
3)剪力墻、框架填充墻
地下室內(nèi)墻:MU10加氣混凝土砌塊，MS水泥砂漿砌筑。
樓層200厚外墻、內(nèi)墻 :Mu10加氣混凝土砌塊，其密度 800kg/m3，Mb5混合砂漿砌筑。樓層100或120厚內(nèi)墻:MU10加氣混凝土砌塊，其密度 800kg/m3，，Mb5混合砂漿砌筑。
3.3 本工程樁基礎(chǔ)方案的確定
本工程場(chǎng)地持力層較深(強(qiáng)風(fēng)化層已在地下26m左右)，且持力層以上砂層厚，地下水位較淺，水量較豐富，降水費(fèi)用高，挖孔難度大，施工安全難以保證，本工程不宜采用人工挖孔樁。高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力管樁(PHC)剛度較大，抗裂性能好，施工速度快，靜壓管樁施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響小，成樁費(fèi)用按包工包料計(jì)比人工挖孔樁貴一些，但樁的持力層僅能在礫沙層，難以達(dá)到巖層。由于樁的擠土效應(yīng)，常有部分樁很難穿透厚砂層，難于到達(dá)持力層，如果將靜壓改為捶擊，又容易出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，所以根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況，不采用此樁型。采用反循環(huán)機(jī)械鉆孔灌注樁。根據(jù)基礎(chǔ)受力情況，持力層采用微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值丘frk=12.03Mpa;樁徑采用800和1000mm，C30混凝土，樁長(zhǎng)約22m。單樁豎向承載力特征值須通過單樁豎向靜載試驗(yàn)確定，試樁數(shù)量須滿足國(guó)家有關(guān)規(guī)范要求。經(jīng)調(diào)查工程所在市的有關(guān)樁基礎(chǔ)的使用情況，本工程可考慮選用樁徑外徑400mm內(nèi)徑200mm的預(yù)應(yīng)力混凝土樁、樁身450mm擴(kuò)大頭700mm的夯擴(kuò)樁，樁身800mm的機(jī)械鉆孔灌注樁作為本工程的基礎(chǔ)類型。
由于本工程樁基均為嵌巖樁，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，可不進(jìn)行沉降驗(yàn)算。
樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為:甲級(jí)。地下室鋼筋混凝土底板400厚，側(cè)壁400厚，采用自防水混凝土，混凝土抗?jié)B強(qiáng)度等級(jí)S8。
4 結(jié)束語
在分析高層建筑各主要建筑結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用范圍以及影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要影響因素基礎(chǔ)上，針對(duì)本工程實(shí)際對(duì)各種基礎(chǔ)形式，結(jié)構(gòu)體系分析，確定最安全、經(jīng)濟(jì)、適用的基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)體系。
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