高層結構基礎設計之我見

【摘 要】伴隨著我國經濟與科技的快速發展，各個城市中的高層建筑也在逐漸增加，隨著高層建筑的建筑高度的不斷增加，建筑類型與功能愈來愈復雜，結構體系更加多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為建筑結構工程師的重要工作內容。

【關鍵詞】案例；基礎設計；結構分析與計算

1、工程概況

筆者翻閱了大量的資料，以某工程為例，總建筑面積36126m2，其主樓地下1層，地上17層，建筑總高度59.500m，其裙房地下1層，地上3層，建筑總高度14.700m，室內外高差均為0.300m。該建筑地下1層，層高5.6m；均為地下車庫、人防及設備用房；地上1層～3層為商業用房，6層～17層為公寓用房，層高3.1m，商業用房層高4.8m，主樓平面為32.6m×42.2m，主樓與裙樓之間采用沉降縫分開。主樓結構的設計使用年限為50年，建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15s，設計地震分組為第二組，建筑抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級為甲級。基本風壓采用100年重現期的風壓值S=0.45kN/m2，地面粗糙度類別為C類，建筑耐火等級為一級。

2、地基及基礎設計

2.1程地質情況

根據地質勘察報告，地層深度6.0m以上為Q4沉積的粉土及粉質黏土層，6.0m～11.0m為Q42靜水相或緩流水相沉積的粉土及粉質黏土層，11.0m～17.0m為Q；沉積的粉細砂及粉土層，17.0m～53.0m為Q3沉積的粉質黏土層，53.0m～80.0m為Q2沉積的黏土層。地下水位埋深約2.5m～.5m，水位年變化幅度為0.5m～1.0m，地基抗浮設計水位為1.2m。地下水對混凝土沒有腐蝕性，但對干濕交替條件下鋼筋混凝土結構中的鋼筋有弱腐蝕性。場地地基土不具液化性。場地土類型為中硬場地土，建筑場地類別為Ⅱ類。建筑場地屬抗震有利地段。根據地質勘察報告建議，地基采用鉆孔灌注樁或靜壓預制管樁及高壓噴射注漿法處理地基。

2.2地基及基礎設計

經過多方案技術分析比較，我們建議建設單位采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法進行地基處理，并采用平板式筏形基礎。隨后地質勘察單位又補充了相應的巖土勘察資料，提供了CFG樁復合地基處理設計承載力及變形參數。水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法適用于處理黏性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基。本工程主樓標準組合下基底平均反力為460kPa，準永久組合下基底平均反力為410kPa。地基持力層為第⑤層粉細砂，地基承載力特征值為250kPa。設計選取CFG樁樁徑400mm，CFG樁端持力層為第⑨層粉質黏土，地基承載力特征值為320kPa，該層下無軟弱下臥層，有效樁長16m，樁采用梅花形布置，樁間距1400mm×1400mm，樁身立方體抗壓強度平均值大于18MPa。施工后經有資質的檢測單位檢測，處理后的復合地基承載力特征值為540kPa（相應的單樁承載力特征值為630kN），復合地基平均沉降量小于40mm，檢測結果均滿足設計要求。

3、結構分析與計算

3.1結構整體計算的軟件選擇

目前比較通用的計算軟件有：SATWE、TAT、SAP等，但是，由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，因此導致了各軟件的計算結果有或大或小的不同。所以，在進行工程整體結構計算和分析時必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件，并從不同軟件相差較大的計算結果中，判斷哪個是合理的，這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。如果選擇了不合適的計算軟件，不但會浪費大量的時間和精力，而且有可能使結構有不安全的隱患存在。

3.2是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響

該部分內容實際上在新老規范中都有提及，只是，在新規范中根據大量工程的實測周期明確提出了各種結構體系下高層建筑結構計算自振周期折減系數。

3.3振型數目是否足夠

在新規范中增加了一個有效質量系數的概念，并明確提出了該參數的限值。由于在舊規范設計中，并未提出有效質量系數的概念，或即使有該概念，該參數的限值也未必一定符合新規范的要求，因此，在計算分析階段必須對計算結果中該參數的結果進行判斷，并決定是否要調整計算振型數的取值。

3.4多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計算

一段時間以來，大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結構人為地分開進行計算，是結構工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現即使有效質量系數滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然較大，從而使結構出現不安全隱患。

3.5非結構構件的計算與設計

在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求而非主體承重骨架體系以內的非結構構件。對這構件尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時，由于高層建筑的地震作用和風荷載均較大，因此，必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的計算處理措施進行設計。

4、地基結構設計

4.1基礎類型的選擇和設計

1）主體結構優先采用剛性條形基礎，例如灰土條形基礎、Cl5素混凝土條形基礎、毛石混凝土條形基礎和四合土條形基礎等。在基礎寬度大于215厘米的時候，應采用鋼筋混凝土擴展基礎，也就是柔性基礎。當出現多層框架結構，無地下室、地基較差、荷載過大的情況時，為了增強整體性需要減少不均勻沉降，這時需采用十字交叉梁條形基礎。在此基礎上還不能滿足地基基礎強度和變形要求，而使用樁基和人工地基也不合適，就只能采用筏板基礎（分為有梁和無梁兩種）。另外框架結構、有地下室且上部結構對不均勻沉降要求嚴格、防水要求高、柱網要求均勻，便可采用箱型基礎，柱網不均勻時，就采用筏板基礎。

2）有地下室，無防水要求，柱網、荷載較均勻，地基較好的條件下，應選用獨立柱基，抗震設防區加柱基拉梁，或使用鋼筋混凝土交叉條形基礎或筏板基礎。與之相反，在無地下室，地基較差，荷載較大的條件下，柱下可選用交叉條形基礎并與墻下條基連結在一起，以加強整體性，若還不能滿足地基承載力或變形要求，可采用筏板基礎。另外剪力墻結構不論無地下室或有地下室，無防水要求，地基較好，都宜選用交叉條形基礎。

3）有防水要求時，可選用筏板基礎或箱形基礎。高層建筑一般都設有地下室，可采用筏板基礎。如果地下室設置有均勻的鋼筋混凝土隔墻時，采用箱形基礎。當地基較差，為滿足地基強度和沉降要求，可采用樁基或人工處理地基。無論采用何種基礎都要處理好基礎底板與地下室外墻的連結節點構造。框剪結構無地下室、地基較好、荷載較均勻，可選用單獨柱基、墻下條基，抗震設防地區柱基下設拉梁并與墻下條基連結在一起。

4.2大型基礎設計中的樁基礎和后澆帶的設計

當天然地基或人工地基的地基承載力因變形不能滿足設計要求，或者不能滿足經濟采用要求時，可采用樁基礎。以下列述樁平面的布置原則：①樁頂受荷均勻，上部結構的荷載重心與樁的重心相重合，群樁在承受水平力和彎矩方向有較大的抵抗矩。②縱橫墻交叉處都應布樁，橫墻較多的多層建筑在橫墻兩側的縱墻上布樁，門洞口下面不宜布樁。③同一結構單元不應同時采用摩擦樁和端承樁。④大直徑樁宜采用一柱一樁：筒體采用群樁時，在滿足樁的最小中心距要求的前提下，樁宜盡量布置在筒體以內或不超出筒體外緣一倍板厚范圍之內。⑤在伸縮縫或防震縫處可采用兩柱共用同一承臺的布樁形式。⑥剪力墻下的布樁量要考慮剪力墻兩端應力集中的影響，而剪力墻中和軸附近的樁可按受力均勻布置。

5、結語

綜上所述，高層建筑基礎承擔著將高層建筑上部結構的荷載傳遞給地基的重要作用，在設計時，應將高層建筑結構、基礎與地基協同考慮，以實現基礎和地基的共同作用。