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[摘要]：文章以某工程为例．对高层建筑基础的选型和平板式筏板基础的结构设计进行介绍，并着重阐述运用上部结构、基础和地基共同作用的分析原理，对筏板基础内力进行分析的有限元法，以供参考。
[关键词]：高层建筑；基础选型；筏板基础：有限元法
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1概述
建筑物采用何种基础型式，与地基土类别及土层分布情况密切相关。工程设计中，常遇到这样的地质情况，地下室底板下的岩土层为风化残积土层、全风化岩层、强风化岩层或中风化 软岩层，因此，有可能采用天然基础。高层建筑地下室通常作为地下停车库，建筑上不允许设置过多的内墙，因而限制了箱型基础的使用；筏板基础既能充分发挥地基承载力,调整不均匀沉降，又能满足停车库的空间使用要求，因而就成为较理想的基础型式。筏板基础主要构造型式有平板式筏板基础和梁板式筏板基础，平板式筏板基础由于施工简单，在高层建筑中得到广泛的应用。本文以南宁市青秀区某高层住宅楼的基础设计为例，拟对高层建筑基础的选型和筏板基础的设计方法进行介绍。如下图示:
2基础选型
2．1工程地质概况
本工程设地下室1层，塔楼地上26层，采用剪力墙结构。根据岩土工程勘察报告，场地土层分布自上而下分别为：①素填土层，厚度．0.2m～15.8m；②耕表土层，厚
度0.2m～2.9m；⑨含砾砂粘土层，厚度0.7m～4.2m；④粘土层，厚度0.9m~3.2m；⑤圆砾，厚度0.3m～5.6m；⑥强风化泥质粉砂岩，厚度6.6m~22.1m，标贯击数为33—48击,承载力特征值fak=450Kpa；⑦中风化泥质粉砂岩，厚度 >11.9m，标贯击数为56—96击, 承载力特征值fak=800Kpa。
2．2基础结构方案选择
基础的设计必须满足以下三个条件的要求：
(1)基础承受的荷重，不得超过地基的允许承载力，以保证安全。
(2)基础的总沉降量及差异沉降量必须控制在一定限值之内，以保证上部结构不致损坏。
(3)必须预先估计新建房屋本身及其在施工过程中的必要操作对毗邻房屋的影响，以便采取必要的保护措施。在保证安全使用的条件下，还要考虑它的综合经济效果。要求工期短、费用省，而这个费用和工期都不是仅仅考虑基础的本身，而是考虑到整个建筑物的建造和运行。在确定基础型式时，应当通盘考虑地基、基础及上部结构的刚度以及施工顺序，恰当地估计在整个施工和使用过程中可能发生的基础沉降及差异沉降。
在此仅析天然地基上平板式筏基的设计条件：在天然地基上应用平板式筏基，除了以上所述的条件外，最重要的是上部建筑荷载组合下总体轴力、弯矩等作用下，基底的最大压应力必须小于修正后地基承载力。这类筏基绝大部份是作为补偿式基础，只要持力层承载力高，又无软弱下卧屋，且建筑面积的刚度中心与基础形心接近或重合时．均可考虑采用平板式筏基。
高层建筑常用的基础结构型式为桩基础，常用人工挖孔桩和管桩基础。人工挖孔桩在进入埋藏有孔隙水的以粉土为主要成份的素填土①层中，易出现流土，流砂现象，施工有较大困難，故不宜采用。静压预制管桩以中风化泥质粉砂岩⑦层作为持力层，桩长大约20米左右。
本工程经计算,在标准组合下平均反力为415Kpa,在开挖地下室基础底面为强风化泥质粉砂岩⑥层出露,且该层承载力特征值fak=450Kpa,可以满足本工程地基承载力要求。故可以考虑采用天然筏板基础。
经济对比:估算采用管桩基础造价:需要桩数约260根，则260X20X160=83.2万元，承台砼含量约617立方米,估算约617x700=43.19万元,总价约126.39万元; 估算采用筏板基础造价：筏板砼含量约1490立方米, 估算约1490x800=119.2万元。结论是采用筏板基础比管桩基础造价低点。本工程初步分析结果表明,建筑物沉降也可满足要求,因此,决定采用天然地基的平板式筏形基础。采用筏板基础既可以避免因打桩引起的试桩、排污等问题，又可以加快施工进度，还能适当降低工程造价。
3筏板基础的结构设计
3．1筏板基础的平面布置
尽量使建筑物重心与筏基平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应由地基条件、建筑物场地条件、柱距及柱荷载大小、使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3。据《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》第12.1.5条规定偏心距e ≤0.1W/A,经计算,本工程(e=327mm)< (0.1W/A=524mm),满足规范要求。
3．2筏板基础厚度的确定
筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度确定，同时要满足抗渗要求，局部柱荷载较大时,可在柱下板底加墩或设置暗梁且配置抗冲切箍筋,来增加板的局部抗剪切能力，避免因少数拄而将整个筏板加厚。除强度验算控制外，还要求筏板基础有较强的整体刚度。一般经验是筏板的厚度按地面上楼层数估算，每层约需板厚50mm～80mm。本工程塔楼地上26层，筏板厚度为1500mm。
3．3筏板基础的计算分析
上部结构、基础和地基三者的关系是相互影响、相互制约的关系。把上部结构、基础和地基三者作为一个共同工作的整体的计算方法，其最基本的假定是上部结构与基础、基础与地基连接界面处变形协调，整个体系符合静力平衡。对于基础，由于考虑了上部结构的贡献，使其整体弯曲变形和内力减小，而取得较为经济的效果；对于上部结构，由于考虑了因基础变形引起的变形，这种变形将使上部结构产生次应力，考虑了这种次应力，结构将更安全。本工程筏板基础采用PMPK系列软件的JCCAD模块进行计算。考虑上部结构影响（共同作用计算）,采用弹性地基梁板模型（桩和土按WINKLEN模型）计算。关键点在于选择合理的地基基床系数。地基基床系数与土的类型及下卧土层类别、基础面积的大小和形状、基础的埋置深度等因素有关。据工程经验,参考邻近楼栋的筏基沉降结果,取基床系数为K=450/0.03=15000KN/M。计算结果显示, 地基平均反力标准值为415Kpa，最小反力标准值为390Kpa,最大反力标准值为442Kpa,均小于450Kpa。承载力满足要求。建筑物地基沉降变形均匀，平均沉降为27.8mm。
3．4构造措施
筏板采用双向双层通长钢筋，墙柱下板底处如配筋量不足，则附加短筋，保证通长钢筋占最大配筋量的1／3以上；板面只有很少的板块需附加短筋，短筋在本跨内拉通。筏板混凝土强度C35，抗渗等级S8。筏板长边尺寸67米, 超过规范规定的最大伸缩缝间距。由于板较厚，混凝土凝结早期的水化热和收缩开裂难以控制。经过方案比较，最后决定采用SY-G型或HEA型膨胀抗裂剂（代替水泥量）的无缝设计，筏板混凝土内掺8％SY-G型膨胀抗裂剂；筏板中部设2米宽膨胀加强带，采用C40混凝土，内搀12％SY-G型或HEA型膨胀抗裂剂。搀入膨胀抗裂剂的混凝土在凝结早期产生微膨胀，抵消混凝土凝结早期的收缩，防止裂缝产生，提高防渗性能。采用无缝施工，可以使筏板混凝土一次浇筑完，缩短了工期，也避免有缝施工带来的不良影响。采用无缝施工的筏板要特别注意养护，养护期不少于14天。
4 经验总结
高层建筑基础设计是整个结构设计的重要一环，其设计合理与否，关系到建筑物的安全和使用及施工工期和投资额度。本文通过工程实例，对高层建筑基础的选型进行探讨，并着重介绍平板式筏板基础的结构设计，考虑上部结构、基础和地基共同作用，运用有限元法分析筏板基础内力,配筋和变形。
参考文献：
【1】混凝土结构设计规范(GB50010-2002)．中国建筑工业出版社，2002．
【2】建筑地基基础设计规范(GB50007—2002)·中国建筑工业出版社，2002．
【3】高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)·中国建筑工业出版社，2002．
【4】建筑桩基技术规范(JGJ94—94)．中国建筑工业出版社，1995.
[关键词]：高层建筑；基础选型；筏板基础：有限元法
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1概述
建筑物采用何种基础型式，与地基土类别及土层分布情况密切相关。工程设计中，常遇到这样的地质情况，地下室底板下的岩土层为风化残积土层、全风化岩层、强风化岩层或中风化 软岩层，因此，有可能采用天然基础。高层建筑地下室通常作为地下停车库，建筑上不允许设置过多的内墙，因而限制了箱型基础的使用；筏板基础既能充分发挥地基承载力,调整不均匀沉降，又能满足停车库的空间使用要求，因而就成为较理想的基础型式。筏板基础主要构造型式有平板式筏板基础和梁板式筏板基础，平板式筏板基础由于施工简单，在高层建筑中得到广泛的应用。本文以南宁市青秀区某高层住宅楼的基础设计为例，拟对高层建筑基础的选型和筏板基础的设计方法进行介绍。如下图示:
2基础选型
2．1工程地质概况
本工程设地下室1层，塔楼地上26层，采用剪力墙结构。根据岩土工程勘察报告，场地土层分布自上而下分别为：①素填土层，厚度．0.2m～15.8m；②耕表土层，厚
度0.2m～2.9m；⑨含砾砂粘土层，厚度0.7m～4.2m；④粘土层，厚度0.9m~3.2m；⑤圆砾，厚度0.3m～5.6m；⑥强风化泥质粉砂岩，厚度6.6m~22.1m，标贯击数为33—48击,承载力特征值fak=450Kpa；⑦中风化泥质粉砂岩，厚度 >11.9m，标贯击数为56—96击, 承载力特征值fak=800Kpa。
2．2基础结构方案选择
基础的设计必须满足以下三个条件的要求：
(1)基础承受的荷重，不得超过地基的允许承载力，以保证安全。
(2)基础的总沉降量及差异沉降量必须控制在一定限值之内，以保证上部结构不致损坏。
(3)必须预先估计新建房屋本身及其在施工过程中的必要操作对毗邻房屋的影响，以便采取必要的保护措施。在保证安全使用的条件下，还要考虑它的综合经济效果。要求工期短、费用省，而这个费用和工期都不是仅仅考虑基础的本身，而是考虑到整个建筑物的建造和运行。在确定基础型式时，应当通盘考虑地基、基础及上部结构的刚度以及施工顺序，恰当地估计在整个施工和使用过程中可能发生的基础沉降及差异沉降。
在此仅析天然地基上平板式筏基的设计条件：在天然地基上应用平板式筏基，除了以上所述的条件外，最重要的是上部建筑荷载组合下总体轴力、弯矩等作用下，基底的最大压应力必须小于修正后地基承载力。这类筏基绝大部份是作为补偿式基础，只要持力层承载力高，又无软弱下卧屋，且建筑面积的刚度中心与基础形心接近或重合时．均可考虑采用平板式筏基。
高层建筑常用的基础结构型式为桩基础，常用人工挖孔桩和管桩基础。人工挖孔桩在进入埋藏有孔隙水的以粉土为主要成份的素填土①层中，易出现流土，流砂现象，施工有较大困難，故不宜采用。静压预制管桩以中风化泥质粉砂岩⑦层作为持力层，桩长大约20米左右。
本工程经计算,在标准组合下平均反力为415Kpa,在开挖地下室基础底面为强风化泥质粉砂岩⑥层出露,且该层承载力特征值fak=450Kpa,可以满足本工程地基承载力要求。故可以考虑采用天然筏板基础。
经济对比:估算采用管桩基础造价:需要桩数约260根，则260X20X160=83.2万元，承台砼含量约617立方米,估算约617x700=43.19万元,总价约126.39万元; 估算采用筏板基础造价：筏板砼含量约1490立方米, 估算约1490x800=119.2万元。结论是采用筏板基础比管桩基础造价低点。本工程初步分析结果表明,建筑物沉降也可满足要求,因此,决定采用天然地基的平板式筏形基础。采用筏板基础既可以避免因打桩引起的试桩、排污等问题，又可以加快施工进度，还能适当降低工程造价。
3筏板基础的结构设计
3．1筏板基础的平面布置
尽量使建筑物重心与筏基平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应由地基条件、建筑物场地条件、柱距及柱荷载大小、使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3。据《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2002》第12.1.5条规定偏心距e ≤0.1W/A,经计算,本工程(e=327mm)< (0.1W/A=524mm),满足规范要求。
3．2筏板基础厚度的确定
筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度确定，同时要满足抗渗要求，局部柱荷载较大时,可在柱下板底加墩或设置暗梁且配置抗冲切箍筋,来增加板的局部抗剪切能力，避免因少数拄而将整个筏板加厚。除强度验算控制外，还要求筏板基础有较强的整体刚度。一般经验是筏板的厚度按地面上楼层数估算，每层约需板厚50mm～80mm。本工程塔楼地上26层，筏板厚度为1500mm。
3．3筏板基础的计算分析
上部结构、基础和地基三者的关系是相互影响、相互制约的关系。把上部结构、基础和地基三者作为一个共同工作的整体的计算方法，其最基本的假定是上部结构与基础、基础与地基连接界面处变形协调，整个体系符合静力平衡。对于基础，由于考虑了上部结构的贡献，使其整体弯曲变形和内力减小，而取得较为经济的效果；对于上部结构，由于考虑了因基础变形引起的变形，这种变形将使上部结构产生次应力，考虑了这种次应力，结构将更安全。本工程筏板基础采用PMPK系列软件的JCCAD模块进行计算。考虑上部结构影响（共同作用计算）,采用弹性地基梁板模型（桩和土按WINKLEN模型）计算。关键点在于选择合理的地基基床系数。地基基床系数与土的类型及下卧土层类别、基础面积的大小和形状、基础的埋置深度等因素有关。据工程经验,参考邻近楼栋的筏基沉降结果,取基床系数为K=450/0.03=15000KN/M。计算结果显示, 地基平均反力标准值为415Kpa，最小反力标准值为390Kpa,最大反力标准值为442Kpa,均小于450Kpa。承载力满足要求。建筑物地基沉降变形均匀，平均沉降为27.8mm。
3．4构造措施
筏板采用双向双层通长钢筋，墙柱下板底处如配筋量不足，则附加短筋，保证通长钢筋占最大配筋量的1／3以上；板面只有很少的板块需附加短筋，短筋在本跨内拉通。筏板混凝土强度C35，抗渗等级S8。筏板长边尺寸67米, 超过规范规定的最大伸缩缝间距。由于板较厚，混凝土凝结早期的水化热和收缩开裂难以控制。经过方案比较，最后决定采用SY-G型或HEA型膨胀抗裂剂（代替水泥量）的无缝设计，筏板混凝土内掺8％SY-G型膨胀抗裂剂；筏板中部设2米宽膨胀加强带，采用C40混凝土，内搀12％SY-G型或HEA型膨胀抗裂剂。搀入膨胀抗裂剂的混凝土在凝结早期产生微膨胀，抵消混凝土凝结早期的收缩，防止裂缝产生，提高防渗性能。采用无缝施工，可以使筏板混凝土一次浇筑完，缩短了工期，也避免有缝施工带来的不良影响。采用无缝施工的筏板要特别注意养护，养护期不少于14天。
4 经验总结
高层建筑基础设计是整个结构设计的重要一环，其设计合理与否，关系到建筑物的安全和使用及施工工期和投资额度。本文通过工程实例，对高层建筑基础的选型进行探讨，并着重介绍平板式筏板基础的结构设计，考虑上部结构、基础和地基共同作用，运用有限元法分析筏板基础内力,配筋和变形。
参考文献：
【1】混凝土结构设计规范(GB50010-2002)．中国建筑工业出版社，2002．
【2】建筑地基基础设计规范(GB50007—2002)·中国建筑工业出版社，2002．
【3】高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)·中国建筑工业出版社，2002．
【4】建筑桩基技术规范(JGJ94—94)．中国建筑工业出版社，1995.