高層建筑結構筏板基礎設計方法探討

李洪岳

摘要：文章分析高層建筑基礎的類型及高層建筑基礎的埋置深度需要考慮的因素，探討高層建筑結構基礎的設計方法，以供參考。

關鍵詞：高層建筑結構;筏板基礎;安全;經濟;合理

近年來，隨著我國經濟建設形勢及科技的迅猛發展，高層建筑的建設呈現出數量大，層數多，結構體系新穎，計算理論和施工方法不斷更新的趨勢。高層建筑的受力復雜，對基礎的強度、剛度和穩定性的要求也更加嚴格。基礎工程的設計與施工對高層建筑本身及其周圍環境的安全至關重要，其造價與工期對高層建筑總造價與總工期有舉足輕重的影響。在各種復雜的地質條件下建造高層建筑，首先必須經濟合理地做好基礎設計。

一、高層建筑基礎的類型

高層建筑結構的基礎設計，應綜合考慮上部結構的類型、整體性和結構剛度、地基土條件、抗震設防要求、施工技術、周圍建筑物和環境條件等各方面因素。一般情況下，高層建筑宜優先選用整體性較好的箱形基礎和筏板基礎。當層數少、高度不太高、地基情況較均勻時，可考慮采用交叉梁式基礎。高層建筑通常不宜采用獨立柱基礎。當地基承載力不足、沉降量大時，可采用箱形基礎、筏板基礎與樁基礎組合而成的樁筏基礎。高層建筑直接建造在基巖上時，可考慮采用條形基礎或單獨基礎。裙房層數少、荷重輕、面積大，當不需要設置地下室時，可采用交叉梁基礎和加拉梁的獨立基礎。

二、筏板基礎埋深及承載力的確定

城區由于用地緊張，高層建筑密集，因此需設置車庫、人防工程、設備用房和水池等地下室，并由其使用功能要求決定地下室的層高和層數，這就基本確定了基礎底板的埋置深度，然后，根據該深度結合建筑場地的巖土工程特點進行基礎選型，研究選擇天然筏板基礎的可能性。由于地下室具有一定的埋深及地區的地下水位較高，天然筏板基礎屬于補償性基礎，因此地基的確定有兩種方法：一是地基承載力設計值的直接確定法。它是根據地基承載力標準值按照有關規范通過深度和寬度的修正得到承載力設計值，并采用原位試驗（如標貫試驗、壓板試驗等）與室內土工試驗相結合的綜合判斷法來確定巖土的特性。二是按照補償性基礎分析地基承載力。

例如：某棟地上28層、地下2層（底板埋深l0m）的高層建筑，由于將原地面下l0m 厚的原土挖去建造地下室，則卸土土壓力達180Kpa，約相當于l1層樓的荷載重量;如果地下水位為地面下2m，則水的浮托力為80Kpa，約相當于5 層樓的荷載重量，因此實際需要的地基承載力為l4 層樓的荷載。即當地基承載力標準值f≥250Kpa 時就能滿足設計要求，如果筏基底板適當向外挑出，則有更大的可靠度。

三、筏板基礎的可行性分析

高層建筑能否考慮選定筏板基礎，主要應對以下3個方面進行驗算：

1、基礎埋深的確定。高層建筑一般均設有地下室，所以筏板基礎的埋置深度往往取決于建筑高度、地下室層數及層高，如果建筑物的抗傾覆力能滿足要求，就可根據該深度結合下臥土層的巖土工程性質，進行筏板基礎的天然地基承載力及沉降計算，以確定其是否可行。

2、沉降計算。沉降計算是地基驗算的重要組成部分，它不僅影響建筑物的可使用性，而且在筏板基礎的結構設計中起重要作用。在實際設計中，工程師往往對確定地基承載力有較大把握，而在地基變形的計算上卻難以把握。筆者認為，雖然目前未能從理論上對地基的變形進行精確計算，但只要能對變形的計算參數合理取值，選用合適的計算方法，并根據地區經驗作出修正，就仍能獲得與實際情況較接近的總沉降計算值，以保證結構設計的安全性。

3、基礎方案的確認：根據上部建筑結構布置具體情況、巖土勘察報告的結果、結構計算分析、經安全經濟比較，確認所選基礎適應上部結構、符合使用要求（如地下室使用功能-車庫、人防、商場等）、滿足地基基礎要求以及技術經濟上合理。在內力分析時應采用合理的計算方法，對于地基比較均勻、筏板基礎和上部結構剛度相對較大、柱軸力及柱距相差不大時，可以采用簡化計算方法，其最基本的特點是將由上部結構、基礎和地基3部分構成的一個完整的靜力平衡體系，分割成3個部分，獨立求解計算簡便。其缺點是完全不能考慮基礎的整體作用，也無法計算撓曲變形，夸大上部結構剛度的影響。當上部結構復雜、結構整體剛度小、地質條件不利時，應把上部結構、基礎和地基三者作為一個共同工作的整體加以分析。通過上部結構與基礎、基礎與地基連接界面處變形協調，使整個體系符合靜力平衡。對于筏板基礎，由于考慮了上部結構的貢獻，使其整體彎曲變形和內力減小，而取得較為經濟的效果;對于上部結構，由于考慮了因基礎變形引起的變形，其變形將使上部結構產生附加應力，考慮了這種附加應力，結構設計將更安全。

四、影響基礎板厚的因素

1、基礎沉降的不均勻性。荷載分布和地基巖土的不均勻性勢必導致基礎的不均勻沉降。除沉降無法控制在允許范圍內，需對較軟弱的地基應進行加固處理外。一般情況下可以采用加大板厚以增加基礎底板的剛度的辦法來調整

2、基礎與地基巖土的相對剛度。規范規定筏板基礎的板厚由抗沖切和剪切來確定，而在抗沖切驗算時必須減除沖切范圍內的反力，基礎與地基巖土的相對剛度對該反力的大小有一定程度的影響，當基礎相對地基巖土有較大的剛度時，該反力會相對較小，因而由抗沖切確定的板厚會相對較大，反之基礎板厚會相對較小。

3、柱或剪力墻的位置。由于基礎邊緣的地基反力通常比中間大，因此當柱底具有相同的軸力及沖切面積時，緣于基礎與地基巖土的相對剛度對基礎板厚影響的同樣道理，基礎邊緣的柱或剪力墻抗沖切確定的板厚會相對較大。這時，可將柱或剪力墻處一定范圍內的基礎底板適當加厚，以滿足抗沖切的要求。

五、結構設計注意的問題

1、應盡量使上部結構的荷載合力重心與筏基形心相重合，從而確定底板的形狀和尺寸。當需要將底板設計成懸挑板時，要綜合考慮上述多方面因素以減小基礎端部基底反力過大而對基礎彎距的影響;

2、底板厚度由抗沖切和抗剪強度驗算確定。柱網間距較大時可在柱間設置加強板帶（暗梁加配箍筋）來提高抗沖切強度以減少板厚，也可采用后張預應力鋼筋法來減少混凝土用量和造價。決定板厚的關鍵因素是沖切，應對筏基進行詳細的沖切驗算;

3、無肋梁筏板基礎的配筋可近似按無梁樓蓋設柱上板帶和跨中板帶（倒樓蓋法）的計算方法進行，精確計算可用有限元法;對肋梁式筏基，當肋梁高度比板厚大得較多時，可分別計算底板和肋梁的配筋，即底板以肋梁為固定支座按雙向板計算跨中和支座彎矩，并適當調整板跨中和支座的配筋;

4、構造配筋要求：筏板受力筋應滿足規范中0.15%的配筋率要求，懸挑板角處應設置放射狀附加鋼筋等。設計人員往往配置受力鋼筋有余，構造鋼筋卻配置不足。

六、結束語

高層建筑基礎選型是整個結構設計中的一個重要組成部分，直接關系到工程造價、施工難度和工期，因此應認真研究場地巖土性質和上部結構特點，通過綜合技術經濟比較確定。高層建筑的基礎選型應因地制宜，除基礎應滿足現行規范允許的沉降量和沉降差的限值外，整體結構應符合規范對強度、剛度和延性的要求，選用何種基礎形式不是絕對的，而安全可靠、經濟合理才是基礎選型的標準。

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