淺析某高層建筑基礎設計

【摘要】高層建筑結構設計中，基礎設計尤為重要。所謂“基礎不牢地動山搖”，如果基礎不好，那么容易使建筑出現裂縫，情況嚴重者甚至會導致整個高層建筑傾塌。本文立足于研究高層建筑結構設計中的基礎設計，著重闡述設計中應該注意的問題。

【關鍵詞】基礎；結構；分析

1 工程概況

該項目是由10棟高層組成，地下有兩個相互連通的一層地下室。其中1號棟地上27層，地下1層，由A、B、C三個單體組成，單機之間設260mm寬的縫彼此脫開。1號棟1、2層為商業用房， 3層以上為住宅，地下為一層的五級人防地下室，B座上部剪力墻不允許落地，從而形成鋼筋混凝土框支剪力墻結構體系。

2 基礎設計

2.1 地基土構成與特征

勘察場地的地貌單元屬沖積階地，按其結構特征，地層成因，土性不同和物理力學的差異劃分為8層。地基土的構成和特征見表1。擬建場地淺部土層中的地下水屬于潛水， 設計抗浮水位標高為-5.00m。

2.2樁基設計

1號棟地下1層板面標高為-4.70 米。由表1可以看出，地下室板下土由層②、③、④構成，其承載力不高，變形模量較大，作為1號棟的天然地基土承載顯然不夠。若采用人工挖孔灌注樁，有兩個制約因素：其一是樁端持力層落在層⑧上，樁長達到將近30米，不經濟；其二是層⑨中富含潛水，將對人工挖孔樁的施工造成困難。參考文獻1，文獻2，結合本地經驗，在本工程中采用了水泥粉煤灰碎石樁復合地基（CFG樁） 。筆者在之前的幾個項目中采用了該種復合地基，采用參考文獻1的計算方法，其沉降計算值與實測值接近，載荷板試驗數據較為理想，證明在長沙地區采用水泥粉煤灰碎石復合地基是可行的。1號樁CFG樁徑500，樁間距1500， 其他基承載力特征值fspk =620kPa，完全可以作為主樓的持力層。地下室主樓以外車庫部分荷載較小，在控制好沉降的前提下采用層②、③、④作為持力層。

地下室結構超長，主樓與主樓外車庫部分基礎持力層不同，有可能產生較大的沉降差，造成連接處開裂。考慮到以上因素，工程中采用將主樓周邊設置沉降后澆帶的做法在施工期間與其余部分脫開，可以有效減少沉降差。

針對結構超長設置膨脹加強帶，在結構底板、側壁、頂板中摻入適量的微膨脹劑，加強帶的間距20～30米為宜，由此加強整個地下室的整體抗裂能力。

3. 上部結構設計

工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0. 05g，設計地震分組為第一組，場地土的類型為中硬場地土，建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震特征周期值為0. 35S。主樓上部結構A、C座采用現澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結構， B 座為框支剪力墻結構。A、C座框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為三級； B座框支框架抗震等級為二級，底部加強部位剪力墻抗震等級為二級，非底部加強部位剪力墻抗震等級為三級。地下車庫采用現澆鋼筋混凝土框架結構，抗震等級為三級。在設計中主要有以下問題需要解決。

3. 1 結構轉換

工程層3以上為剪力墻小戶型住宅，層1、2為商業、娛樂用房，需要較大開間及空間，上部的短肢剪力墻無法落地，因此存在結構轉換問題。針對工程實際情況，并考慮到造價的因素，在轉換層設置轉換大梁，以承托上部短肢剪力墻。由于轉換梁承托著上部24層的剪力墻，受力很大，因此需要很大的截面和配筋，即需要轉換層下層有較大的層高。按照抗震規范表3. 4. 2 - 2對于側向剛度不規則的定義，盡量使層2與層3的側向剛度比大于70%。經與建筑專業人員協商，在轉換層以下部分山墻兩端及房間開間兩側設置剪力墻，加大房屋的整體剛度及抗扭剛度。同時轉換層以下不設管道層，在3米標高處設置管道通廊，將設備管道由此引出室外，從而將轉換層下層的層高由5. 4米降到4. 8米。經過計算，滿足了側向剛度規則的要求，該轉換層結構方案傳力途徑明確，受力狀況相對簡單，對框支構件另采用平面有限元的程序進行單獨分析，并與總體計算結果對比，以保證關鍵構體的抗震安全。值得注意的是，轉換層大梁不是框支梁。框支梁上部承托完整的剪力墻需滿足高規規定的條件，框支梁整截面受拉。轉換梁和普通梁一樣單面受壓或受拉，在構造要求上與框支梁不同。高規對框支梁的構造有非常詳細的要求，對轉換梁的規定很少。結合以往的工程經驗，轉換梁在滿足框支梁混凝土強度等級、開洞構造要求、縱向鋼筋、箍筋構造要求以外，還需要滿足已下兩點。（ 1）轉換梁斷面宜由剪壓比控制計算確定，以避免脆性破壞和具有合適的含箍率，適宜剪壓比限值在有地震作用組合時，不大于0. 15。（2）轉換梁腰筋構造以梁高中點為分界，下部腰筋間距100，上部腰筋間距200，直徑不小于Φ18，尚應滿足：Ash≥S·bw （λx - ft ） / fyh。

3. 2 結構抗扭

A、C座平面不規則，中部樓電梯間凹進比較嚴重，按照抗震規范3. 4. 2條的定義，已屬凹凸不規則、樓板局部不連續的平面不規則結構。

工程采用廣廈結構計算程序按平扭耦聯進行抗震計算分析。在結構初步計算時，沒有對剪力墻的平面布置作出適當調整，結構扭轉為主的第一自振周期壓與平動為主的第一自振周期下之比為0. 96，扭轉周期偏大。由于實際條件的限制，建筑專業能做的調整有限，只能由結構專業采取措施：即通過加強結構的抗扭剛度，從面提高結構的抗扭能力，當結構出現扭轉時也能保證安全。從力學基本概念可知，構件離質心越遠，其抗扭剛度就越大。所以，在建筑物外圍盡可能布置抗側力結構，可以顯著加大結構的抗扭剛度。經與建筑專業協商，在A、C座的兩端盡可能布置縱向剪力墻，從計算結果看，其扭轉周期顯著減小，周期比滿足規范要求。在設計時將兩端剪力墻、框架柱、框架梁剛度適當提高，端跨板加厚，雙層雙向配筋，以加強結構的連接。

針對中部樓電梯間凹進比較嚴重，計算時該部分樓梯采用彈性假定，設計時對核心筒剪力墻配筋適當加強，核心筒樓板及與之相連的兩側梁板截面加大，配筋加強。從計算結果分析，樓層的最大彈性水平位移與該樓層兩端彈性水平位移的平均值之比均小于1. 2，結構的扭轉效應并不明顯。說明通過采取一定的構造措施，可以改善建筑平面不規則布置所引起的扭轉效應。

4 結語

隨著社會的進步，高層建筑的發展很快，日新月異。高層建筑的結構設計人員應不斷學習和提高，通過力學知識和力學規律建立結構受力與變形規律的各種概念，并注意吸取國內外的震害經驗和教訓，重視結構試驗研究成果，結合施工實踐，通過大量工程經驗的日積月累，精心設計才能夠作出技術先進、安全可靠、經濟合理的各種高層建筑的結構設計。

參考文獻

（1）行業標準《建筑地基處理技術規范》（ JGJ79 -2002） ，中國建筑工業出版社， 2002。

（2）徐至鈞，王曙光《水泥粉煤灰碎石復合地基》機械工業出版社， 2004。