房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

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摘要：近幾年來所建的房屋大多是高層建筑，由于高層建筑層數(shù)高及重量較大，自身所承受的荷載力所導(dǎo)致的傾斜力矩也會越大。在這種情況下，就需要基礎(chǔ)具有較強(qiáng)的承載力，從而實(shí)現(xiàn)對建筑沉降和傾斜的有效控制，使房屋建筑在風(fēng)荷載及地震荷載下能夠具有更好的穩(wěn)定性。所以在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工提出更嚴(yán)格的要求，這不僅由于基礎(chǔ)工程所占造價(jià)比重較大，同時(shí)還由于基礎(chǔ)工程直接關(guān)系到整體工程的質(zhì)量和建筑的安全性，決定著工程的投資效益的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)分析；結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

一、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概述

（一）進(jìn)行高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮較多因素，如基礎(chǔ)的承載力、內(nèi)力及配筋等情況的確定，這些都需要相應(yīng)的計(jì)算才能取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。因此在計(jì)算過程中需要結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告、上部結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)所需承受工作荷載效應(yīng)等方面的因素進(jìn)行周全考慮。只有進(jìn)行周全的考慮，才能確保基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)各項(xiàng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，確保基礎(chǔ)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

（二）在實(shí)際工程施工中，由于不同的結(jié)構(gòu)形式建筑對施工要求會有所不同，同時(shí)施工過程中地質(zhì)條件千變?nèi)f化，施工周期要求長短不一，所以會采用不同的基礎(chǔ)形式來進(jìn)行施工。在地質(zhì)條件良好，且設(shè)計(jì)選定的基礎(chǔ)持力層埋深較淺的情況下，可以選擇天然基礎(chǔ)；反之在不良地質(zhì)條件下，通常優(yōu)先考慮樁基礎(chǔ)形式。天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)各有利弊，設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合工程需要，選擇合適的基礎(chǔ)形式。

（三）目前在我國高層建筑基礎(chǔ)工程施工中，由于高層建筑自重較大，目前普遍會采用樁基礎(chǔ)形式，按樁基礎(chǔ)受力情況一般又簡單的分為端承樁和摩擦樁，由于端承樁其樁底處于巖層或硬土層中，樁端持力層具有較好的非壓縮性，能有效的避免樁端發(fā)生沉積，同時(shí)樁具有良好的承載力。摩擦樁主要是依靠樁側(cè)摩擦阻力來承擔(dān)豎向荷載，同時(shí)樁底土層也會對樁端提供一定的承載力，但由于底部支承的土層具有可壓縮性，所以摩擦樁的樁基沉降量相對端承樁還是會較大。

（四）高層房屋建筑基礎(chǔ)施工時(shí)，采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)受力方式簡單直接，不利地質(zhì)條件的影響較小，并且能夠有效的控制建筑沉降。采用天然地基，由于建筑物基礎(chǔ)下的各土層厚度不均，且各土層壓縮模量不一，在建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載作用下不可避免的會導(dǎo)致不均勻沉降的發(fā)生，難以有效控制建筑沉降。采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工，可以使深部土層的承載能力得到充分的發(fā)揮。同時(shí)樁基礎(chǔ)與現(xiàn)代施工技術(shù)和材料實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合，有效的提高了樁基礎(chǔ)施工技術(shù)的水平，使其在高層建筑基礎(chǔ)工程中發(fā)揮著更好的性能。

二、高層建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析

（一）上部結(jié)構(gòu)的剛度對基礎(chǔ)受力狀況的影響

上部結(jié)構(gòu)剛度是指上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)不均勻沉降或彎曲的抵抗能力，包括水平剛度，豎向剛度和抗彎剛度的綜合。上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)變形有約束作用，能改善基礎(chǔ)的縱向彎曲程度，減小基礎(chǔ)的沉降差異，在對沉降要求較嚴(yán)格的天然基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中值得重點(diǎn)考慮。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可以采用多種方法增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)剛度，例如：（1）增加剪力墻布置數(shù)量或長度；（2）增加縱橫向梁數(shù)量或截面尺寸；（3）增加框架柱截面；（4）盡量避免采用細(xì)長形建筑等措施。

常見的PKPM設(shè)計(jì)分析軟件可以計(jì)算結(jié)構(gòu)上部剛度，并且在后續(xù)JCCAD基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)疊加上部結(jié)構(gòu)剛度后得出基礎(chǔ)內(nèi)力，配筋和沉降等結(jié)果。根據(jù)多個(gè)工程實(shí)例計(jì)算分析，在地基、基礎(chǔ)和荷載條件不變的情況下，增加上部結(jié)構(gòu)的剛度會減少基礎(chǔ)的相對撓曲和內(nèi)力，但同時(shí)也會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力增加，即上部結(jié)構(gòu)對減少基礎(chǔ)內(nèi)力的貢獻(xiàn)是以在自身中產(chǎn)生不容忽視的次應(yīng)力為代價(jià)的。設(shè)計(jì)中還應(yīng)當(dāng)注意的是上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)也不是無限的。

（二）基礎(chǔ)剛度對基底反力分布的影響

基礎(chǔ)按剛度大小通常可分為剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)。剛性基礎(chǔ)抗彎剛度大，基礎(chǔ)受荷后不發(fā)生撓曲，有較強(qiáng)的調(diào)整基地反力的能力，它能跨越基礎(chǔ)中部，將所承擔(dān)的荷載相對集中的傳遞到基礎(chǔ)邊緣，起到“橋梁”的作用。由于剛性基礎(chǔ)與地基的變形協(xié)調(diào)一致，因此在軸心荷載作用下地基表面各點(diǎn)的豎向變形值相同。當(dāng)荷載較小時(shí)，地基反力分布曲線呈凹拋物線或馬鞍形；隨著荷載的增大，位于基礎(chǔ)邊緣部分的地基土產(chǎn)生塑性變形區(qū)，邊緣地基反力不再增大，而荷載增加部分則由中間部分的土體承擔(dān)，中間部分的地基反力繼續(xù)增大，地基反力分布曲線逐漸由馬鞍形轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€形；當(dāng)荷載接近地基土的破壞荷載時(shí)，地基反力分布曲線又由拋物線形變成鐘形（基底反力圖形見圖1）。

圖1 軸心荷載下剛性基礎(chǔ)地基反力分布形式

（a）凹拋物線形；（b）馬鞍形；（c）凸拋物線形；（d）鐘形

柔性基礎(chǔ)由于其剛度很小，在豎向荷載作用下沒有抵抗彎曲變形的能力，基礎(chǔ)能隨著地基一起變形。因此，地基反力的分布與作用與基礎(chǔ)上的荷載分布是一致的。柔性基礎(chǔ)在均布荷載作用下，其沉降特點(diǎn)是中部大、邊緣小（基底反力圖形見圖2）。

圖2 荷載作用下柔性基礎(chǔ)地基反力分布形式

（三）地基條件對基礎(chǔ)受力狀況的影響

地基土的軟弱程度一般通過基床系數(shù)和壓縮模量反應(yīng)出來。當(dāng)?shù)鼗恋膲嚎s性很小，基礎(chǔ)作為一個(gè)整體時(shí)局部彎曲會小，上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，建筑不均勻沉降較少，在計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力時(shí)基床系數(shù)可取大值，得出的基礎(chǔ)內(nèi)力及配筋值也會較小，反之在軟弱地基土上，由于土層壓縮變形大，且分布不均勻，基礎(chǔ)各區(qū)域彎矩差別較大，導(dǎo)致基礎(chǔ)內(nèi)力及配筋值也較大。在實(shí)際情況中，基礎(chǔ)和地基界面處會產(chǎn)生一定的摩擦力，這種摩擦力基本上都不會超出土的抗剪強(qiáng)度。同時(shí)地基土中孔隙水壓力的變化情況也會對摩擦力的大小和分布帶來一定的影響，同時(shí)界面的狀況還會受到建筑上部荷載分布及性質(zhì)、基礎(chǔ)的剛度及土的蠕變等的影響。在相同地質(zhì)條件下，地基土對天然基礎(chǔ)的影響要大于對樁基礎(chǔ)的影響。

（四）上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)和地基共同作用的概念及分析方法

在外荷載作用下，上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基做為一個(gè)聯(lián)系的整體會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，三者按照各自的剛度對相互變形產(chǎn)生制約作用，因而制約整個(gè)體系的內(nèi)力，基底反力，結(jié)構(gòu)變形，建筑沉降的變化，是各部分特征共同作用的結(jié)果。設(shè)計(jì)中采用共同分析的方法，即上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基作為一個(gè)整體相互協(xié)調(diào)，在滿足連接點(diǎn)和接觸點(diǎn)條件的情況下協(xié)調(diào)解決整個(gè)體系的變形和內(nèi)力。在共同作用分析中，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)通常是由梁、板組成，因此可以采用有限單元法、有限條法、有限差分法或解析方法建立上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度矩陣，并利用變形協(xié)調(diào)條件與地基的剛度矩陣耦合起來。在常見的PKPM計(jì)算軟件中可以采用有限元法進(jìn)行計(jì)算分析。

三、對建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建議

當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)以及彈性力學(xué)來進(jìn)行的，具有操作簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠保證取得較好的設(shè)計(jì)效果，尤其是對于一些地質(zhì)情況比較好的基礎(chǔ)來說更能得到滿意的效果。目前高層建筑無論是數(shù)量還是高度都呈不斷增加的趨勢，由于垂直荷載作用的加大，導(dǎo)致沉降的增加，同時(shí)也會導(dǎo)致建筑自身有害的次應(yīng)力增加，所以在對高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的分析計(jì)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)平面布置，調(diào)整建筑整體剛度，結(jié)合不同地質(zhì)條件綜合考慮，選擇既安全又經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。

四、結(jié)束語

近年來，我國房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然取得了較好的成效，但在發(fā)展過程中還存在著一些不足之處，還需要在設(shè)計(jì)過程中采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而使房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加完善。建設(shè)行業(yè)的快速發(fā)展，有效的推動(dòng)了我國房屋建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展，房屋建筑結(jié)構(gòu)開始向復(fù)雜化方向發(fā)展，這就對設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求。在滿足建筑使用功能的同時(shí)做出一個(gè)安全，經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)人員需要不懈努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

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