平板筏基的結構設計研究

■王宏志 ■吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022

基礎是高層建筑傳遞豎向荷載到地基，并保證上部結構受到水平荷載(即風荷載及地震作用)時仍能保持足夠穩定的重要保障。筏板基礎基底面積大，整體性好，調適不均勻地基沉降能力強，而且高層建筑地下室常用作地下停車庫，不便設置較多的隔墻，筏板基礎比箱形基礎更易滿足停車庫的空間使用需求。筏板基礎包括梁板式和平板式兩種類型，后者比前者抗沖切和抗剪切能力更強，構造更簡單，施工也更方便，大量工程實踐和工程事故分析也表明平板筏基適應性更好，所以它是較為理想的基礎型式，并在高層建筑中獲得廣泛應用［1，2］。但是地質條件、工程特點、設計方法等差異，使得平板筏基的結構設計仍有許多細節值得考究，因此本文對設計中的相關問題進行了探討。

1 平板筏基的結構設計方法

1.1 平板筏基的設計方法

筏基設計方法分為簡化計算方法、考慮地基和基礎共同作用的方法、地基-基礎-上部結構共同作用的方法。

簡化計算方法是把地基、基礎和上部結構分割成三個部分，再獨立求解。這種方法假定基底壓力呈直線分布，只有筏板剛度相對地基剛度較大時才適用。若上部結構的剛度很大，可采用倒樓蓋法或倒梁法;而上部結構能為柔性結構，則可采用靜定分析法進行設計。倒樓蓋法適于平板筏基厚跨比≥1/6 且柱荷載、柱間距的變化≤1/5 的情形，可按照無梁樓蓋的方法截取柱下板帶及跨中板帶進行設計，此時地基反力均勻布置在基礎底面上。柱下板帶有效寬度范圍內(即柱寬加兩側0.5 倍板厚且不超過1/4 板跨范圍)的配筋量不得少于柱下板帶鋼筋量的1/2，并應能承受作用于沖切截面重心上的不平衡彎矩的作用。倒樓蓋法力學概念清楚，計算簡易，目前仍為許多設計人員習慣采用。倒梁法是指將筏板分割為獨立的條帶，并把相鄰柱列間跨中到跨中的距離作為條帶寬度，并忽略條帶間的剪力傳遞，計算出條帶下的基底凈線反力后就可以利用經驗系數進行倒梁法計算。靜定分析法也按倒梁法分割板帶，再用修正荷載的方法近似板帶間的剪力傳遞，然后就可以用靜定分析法計算任意截面的內力。

考慮地基和基礎共同作用是把筏板與地基作為一個整體來研究，上部結構僅作為荷載考慮，適用于地基比較復雜、上部結構剛度較差或柱荷載、柱間距變化較大的情形，一般按地基上的梁板方法進行分析，例如彈性地基梁板模型(艾克爾地基模型)就是一種簡單的線彈性模型。由于板厚遠小于長寬兩個方向的尺寸，可采用薄板理論進行分析，并利用有限差分法、有限單元法等進行計算。

地基-基礎-上部結構共同作用的方法是將三者作為一個整體，目前多采用單向壓縮分層總和法，例如《建筑地基基礎設計規范》(GB50007 -2011)也規定采用這種方法。單向壓縮分層總和法也就是分層地基模型，由于考慮了地基土的壓縮特性以及地基壓縮層深度的影響，使計算結果更符合實際情況。計算土體附加應力時可采用彈性解的明德林(Mindlin)應力公式，但是按該公式計算出的基礎沉降和內力往往偏大而可能產生較大的設計偏差，所以需要進行修正。修正系數是(是集中力作用點偏離基準點的距離，是集中力作用點偏離計算點的距離)。修正以后計算結果會更符合實際情況。目前，可采用有限單元法、有限條分法、邊界元等進行計算。現有1 算例，樓層12，層高3.6m，筏板厚1.0m，采用ANSYS12.0 軟件進行地基-基礎-上部結構共同分析，圖1 是算例模型平面圖。得到沉降和應力分析結果如圖2～3 所示。可見，常規方法(簡化計算方法)與共同作用法有明顯差異，常規方法基礎沉降差較大，是沒有考慮上部結構“邊柱增載效應”之故［3］;常規方法不考慮上部結構剛度影響，應力計算結果也比共同作用法偏大，因此采用共同作用法更加科學合理。

1.2 平板筏基的型式與構造措施

平板筏基由厚板基礎組成，主要型式包括等厚筏板基礎、局部加厚筏板基礎和變厚度筏板基礎等。一般情況下，可采用等厚筏板基礎，其形狀類似倒置的無梁樓蓋;但當柱荷載較大，筏板抗沖切能力不滿足要求時，可采用局部加厚筏板或變厚度筏板型式，也可以通過調整配筋(如采用抗沖切筋)的做法來滿足設計要求。

筏板厚度一般通過抗沖切、抗剪切計算來確定，多層建筑筏板厚度不宜小于200mm，高層建筑的平板厚度不應小于400mm。為了確保底板的剛度和強度，應在大跨度柱間進行加強，如設置加強板帶或暗梁等。

平板筏基邊緣一般應懸臂挑出，其作用在于:一是懸挑可增大基底面積，更好地滿足地基承載力要求，但是懸挑部分以橫向設置為宜;二是調整基礎重心，通過懸挑使上部結構與基礎的合力作用點重合，可減少傾覆傾向;三是減少基底反力對筏板彎矩的影響。懸挑長度宜為邊跨柱距的25%～30%，并且挑出長度不小于板厚(1.0～1.5)倍。

筏板配筋除滿足計算要求以外，還應關注以下情況:一是滿足構造配筋要求，規范要求配筋率不低于0.15%，但是筏板較厚，所以筏板在柱下和跨中部位的底部鋼筋應有35%～50%貫通全垮，而頂部鋼筋應按配筋率要求全部拉通，例如分布筋取Φ8@250(板厚≤250mm)和Φ10@200(板厚＞250mm)。二是懸挑邊角等部位應采取另設放射狀的附加鋼筋等措施。

2 平板筏基的結構設計應用

2.1 工程概況

某高層建筑地上23 層，地下2 層，總建筑面積約2.6 萬m2，總高度近90m，基礎埋深約9m。上部結構為框剪結構，柱網尺寸為8.6m×6.6m。抗震設防7 度，基本加速度0.15g，場地Ⅱ類，地基基礎乙級。場地為河流階地，覆蓋層為第四系沉積物，由上至下依次為人工填土、粉土、細砂、中砂、粉土夾粉質黏土、中砂、粉質黏土、中砂。

2.2 基礎設計

根據工程地質條件，采用平板筏基。首先，按照GB 50007 -2011第8.4.2 規定，確定基底平面形心與結構豎向永久荷載重心偏心距。其次，按5.1.4 規定，基礎埋深不小于建筑物高度的1/15，本工程滿足要求。筏基落在粉土層上，特征承載力為140kPa，不滿足基礎壓應力420kPa 的要求，決定采用CFG 樁處理，復合地基承載力為430kPa，滿足要求。筏板厚度取1.6 m，C30 混凝土，按8.4.7 規定驗算筏基柱下沖切746kN/m2＜933N/m2，滿足要求。同樣按8.4.10，驗算筏基受剪承載力也滿足要求。由于地基土比較均勻，無液化軟弱土層，上部結構剛度較大，筏基內力按基底反力直線分布計算板帶彎矩及各控制截面的配筋量。

3 結束語

平板筏基以良好的整體性、承載能力而在高層建筑中獲得廣泛應用，但正如其設計方法經歷了不考慮共同作用到考慮上部結構、基礎、地基的共同作用的過程，粗糙到精確意味著在滿足結構安全的基礎上獲得更好的經濟效益。然而各地巖土工程地質條件和工程特點都存在一定的差異性，唯有綜合各種因素，全面考察造價、工期、工法，才能選出最合理的基礎形式。

［1］陳榮欣.高層建筑平板式筏基設計中的若干問題［J］.建材世界，2013，34(2):78 -81，85.

［2］孫鵬程，吳佳禎，吳彬.某服務中心平板式筏基優化設計［J］.江蘇建筑，2014(3):66 -69.

［3］王中原，郭小剛，張曉岸.框架—筏基—地基相互作用的有限元分析［J］.邵陽學院學報(自然科學版)，2014，11(2):34 -37.