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摘要：随着经济的快速发展，高层建筑的数量也逐渐增加，对高层建筑结构桩基础的研究也成为当前的热点问题。高层建筑桩基础问题往往比较复杂，虽然经过大量工作，但是所得结果仍然和实际有较大差别。因此，对高层建筑结构桩基础的简化分析有着重要的现实意义。本文在笔者实践的基础上，首先探讨了高层建筑桩基础设计原则和有限元分析的基础理论，在此基础上提出了对单桩和群桩简化的方法，相信可以为实践提供借鉴。
关键词：高层建筑结构；桩基础；计算；简化；单桩；群桩
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.引言
随着经济和社会的快速发展，高层建筑如雨后春笋般在各大中小城市遍地开花，为经济发展和社会效益带来了一定的拉动效应。众所周知，桩基作为土木建筑中的一种基础形式，其在高层建筑施工中的应用非常广泛，在分担荷载和控制沉降等方面比之浅基础有着无法替代的优势。桩基础在软弱地基处理中的应用非常普遍，是最古老的基础之一。
但是对桩基础的分析往往比较复杂，大量工作后所得出的结果也总是不理想，和实际相差甚远，因此，对桩基础进行简化分析有着重要的现实意义。本文将在笔者实践工作的基础上，对简化高层建筑结构桩基础的方式方法进行详细探讨。首先，对高层建筑结构桩基础的应用现状进行了探讨，具体从桩基础的设计原则着手，列举了当前高层建筑结构桩基础研究中还存在的主要问题，并对桩土相互作用理论进行了介绍，在此基础上，结合有限元分析方法对单桩和群桩的简化进行了深入分析。笔者认为，对单桩进行简化分析时，可以采用桩土分离的方法进行简化，将桩土设置成许多单元后再进行分析；而在群桩的简化分析时，可以将采用将桩土连续化的方法，这样就克服了单桩计算时单元由于数量巨大从而带来的计算困难问题。限于篇幅，本文也仅仅从探讨简化方法入手，详细理论还需要相关设计人员翻阅相关理论成果。
2.高层建筑结构桩基础应用现状
（1）桩基础设计原则
首先，要选择合适的桩基础类型。当前应用的基桩根据施工工艺或者排土为依据都有不同的分类，因此，要结合当前的实际工程资料来选择合适的基桩。需要参考的工程资料主要岩土工程勘探资料、建筑场地的情况、拟建高层建筑的平面布置等以及施工工艺对地质条件和周边环境的适应性和施工周期要求等；然后，要结合工程实践合理确定建筑基础桩型及其单桩承载力特征值。可以按照结构荷载条件来选择不同规格的基桩，同时也可以根据施工周期等来进行调整，例如周期紧时可以优先选择预制桩，最终组织各方意见后确定最终的基础方案，达到降低基础工程造价的目的。
另外，同一结构单元宜采用桩长相近的桩，相邻桩底标高差应在合理范围内；尽量选择较硬土层作为桩端持力层，根据地质情况确定桩端入持力层深度，并尽量达到桩端阻力的临界深度；对端承桩采用较大桩径或入基岩扩底，对摩擦桩宜采用细长桩；对于裙桩基础，宜根据变刚度调平原则，疏密结合，使各桩受力较均匀，并应尽量使上部荷载中心与桩群的横截面形心重合或接近。
（2）高层建筑结构桩基础研究现状
高层建筑结构桩基础的研究现状主要体现在理论研究和实践应用相脱节方面。桩基础的研究已经非常久远了，在上世纪中叶就有相关研究公诸于世，随着世界科技和经济的进步，计算方法进行了非常大的改进，虽然大量岩土工程科学家进行一系列行之有效的模型试验和工程检测检测等，但是理论成果用于实践时往往显得很单薄。
其次，在进行桩基工程静载实验时，其结果往往和试桩设计相去甚远，而达不到设计要求。设计人员往往通过修改加密桩基设计图或设计参数来进行补救，这样就使得结果超过设计要求太多，虽然保证了安全性，却使得经济效益大打折扣。在这种情况下，是有必要进行优化的，如果超过设计太多，就要进行二次试桩，当然，也延长了整个项目的建设周期。
还有，在对整个高层建筑进行沉降分析时，实际得出的沉降却总是比规范计算的沉降要小了很多。而如何使用桩土相互作用的理论来估计更为准确的沉降，也需要进行进一步的研究。
（3）桩土相互作用的基本理论
对桩土相互作用进行理论分析的方法主要有多质点系模型、弹性理论法、弹性梁基础和数值分析法等。它们各自都有优缺点，但是数值分析法是當前应用最为普及的方法，它主要包含边界元法、离散元法和有限元法等，其中边界元法由于优势显著而得到广泛应用。有限元法诞生了近50年，其理论得到不断的丰富和发展。桩基础问题是比较复杂的建筑问题，目前由于受到承台刚度、桩基承台连接条件、桩基体系传力机制及单桩和群桩工作形态差别等的影响，使其与一般的结构相互作用的问题大不相同，是岩土工程界目前尚未很好解决的难题。因此，下文将在有限元分析的理论基础上，对单桩和群桩的简化进行探讨。
3.高层建筑结构桩基础简化措施
（1）“桩土分离模式”进行单桩简化
使用有限元模拟是进行单桩分析的有效手段。有限元中的方法形态十分丰富，且其算法比较通用，再加上其对材料的几何拓扑比较适应，都使得其得到了广泛的应用，尤其是在求解结构工程的时候。
在进行单桩计算时，可以通过有限元分析来达到简化的目的。这是因为，传统的结构设计计算方法采用的都是不同程度回避桩土结构间的相互作用，对其不做过多的考虑。比如使用地基反力系数法把土地对桩的反作用力等复杂因素通过Winker进行假定，认为其仅仅为单纯的反力系数作用于桩上。而有限元分析却可以综合考虑这些客观存在的事实条件。它可以对力学响应的非线性、土地材料性质的空间差异性和比较复杂的几何边界条件进行综合分析等，不仅求解力学问题简便，同时便于二次开发，相较传统的计算理论有明显的优势。
因此，对单桩的简化分析采取的是将桩和土分别划分单元的方法，要注意这两种单元也不是固定不变的，在它们其中还可以细化设置单元。在利用有限元进行单桩简化分析时，要特别注意单元尺寸的选取对计算结构的影响。其实有时候，单元数量会划分的特别巨大，从而造成计算的困难，因此在实际操作中，可以适当删繁就简，抓住主要部分，以提高工作效率。
（2）“桩土复合模式”进行群桩简化
通过上文的分析，虽然可以达到简化单桩的目的，但是如果在进行高层建筑物的上下部相互作用的研究中，重点基本都放在宏观反应上，也即外部作用下的桩土受力变形。笔者经过实践认为，对群桩进行简化，可以采取桩土复合模式进行群桩有限元分析，也即是将桩土等效连续化处理，桩弥散于土中，视群桩基础为桩土合一的复合材料。这样，在进行有限元分析时，可将单元的尺度取较大的数值，从而减少了单元的数量，提高了有限元分析方法的可操作性和实用性。
在进行计算时，可以通过有限元分析的方法来模拟桩的沉降和荷载关系，以达到简化算法的目的。在实际中，通过群桩基础规范法计算出来的沉降和实际荷载作用下的沉降相比，其值要大的多。为了尽量使其值接近且简化运算，可以采用将垂直于桩轴线的桩土共同作用的平面作为各向同性的面，把桩土三维结构体系作为横观各向同性体。依据桩土各自的弹性模量和泊松比以及桩土这两种材料复合成新的横观各向同性体的九个材料参数(其中只有五个材料参数是独立的)，用等效复合体模型计算桩土荷载沉降反应分析。同时要注意群桩上面作用荷载的特点与单桩静力试桩有很大的差别，这点不在赘述。对计算的简化，可以通过下面的方法来达到：把等效复合体模型的参数计算编成程序，修改桩、土的五个参数，在matlab软件上运行即可得到复合模型的九个参数。计算时需注意xoz平面是各向同性的平面。
因此，在实际中可以证明，该种方法模拟的桩基沉降，比着规范上要精确许多，在工程实测中要着重要的现实意义。
4.结语
综上所诉，高层建筑在当前社会占有重要的地位，对其桩基础的简化分析非常重要。桩基础是目前应用非常广泛的一种基础形式，也是最古老的一种基础形式之一，其在软弱地基上的应用具有无法比拟的优势。本文基于笔者的实践工作经验，结合当前高层建筑结构桩基础的应用现状和设计原则的基础上，利用当前热门的有限元分析法，对单桩和群桩的简化进行了分析和探索，当然，具体的应用还要和实践工程紧密结合，相关人员要结合相关理论，勇于实践，为高层建筑结构桩基础的工程应用做出一定的贡献。
参考文献
[1] 刘利民等编著.桩基工程的理论进展与工程实践[M]. 中国建材工业出版社, 2002.
[2] 涂涛. 预应力混凝土管桩承载性能的研究[D]. 长安大学 2009.
[3] 张正维.超高层建筑巨型框架—核心筒体结构与其基础地基共同工作分析[D]. 河南理工大学 2007.
[4] 叶建忠,周健. 桩土协同工作的接触面研究现状[J]. 西部探矿工程. 2004(02) .
[5] 喻尚群. 静压桩的沉桩机理及常见问题分析[J]. 广西水利水电. 2005(04) .
[6] 程晔,龚维明,戴国亮,季杰.超长大直径钻孔灌注桩桩端承载力研究[J]. 南京航空航天大学学报. 2007(03).
关键词：高层建筑结构；桩基础；计算；简化；单桩；群桩
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.引言
随着经济和社会的快速发展，高层建筑如雨后春笋般在各大中小城市遍地开花，为经济发展和社会效益带来了一定的拉动效应。众所周知，桩基作为土木建筑中的一种基础形式，其在高层建筑施工中的应用非常广泛，在分担荷载和控制沉降等方面比之浅基础有着无法替代的优势。桩基础在软弱地基处理中的应用非常普遍，是最古老的基础之一。
但是对桩基础的分析往往比较复杂，大量工作后所得出的结果也总是不理想，和实际相差甚远，因此，对桩基础进行简化分析有着重要的现实意义。本文将在笔者实践工作的基础上，对简化高层建筑结构桩基础的方式方法进行详细探讨。首先，对高层建筑结构桩基础的应用现状进行了探讨，具体从桩基础的设计原则着手，列举了当前高层建筑结构桩基础研究中还存在的主要问题，并对桩土相互作用理论进行了介绍，在此基础上，结合有限元分析方法对单桩和群桩的简化进行了深入分析。笔者认为，对单桩进行简化分析时，可以采用桩土分离的方法进行简化，将桩土设置成许多单元后再进行分析；而在群桩的简化分析时，可以将采用将桩土连续化的方法，这样就克服了单桩计算时单元由于数量巨大从而带来的计算困难问题。限于篇幅，本文也仅仅从探讨简化方法入手，详细理论还需要相关设计人员翻阅相关理论成果。
2.高层建筑结构桩基础应用现状
（1）桩基础设计原则
首先，要选择合适的桩基础类型。当前应用的基桩根据施工工艺或者排土为依据都有不同的分类，因此，要结合当前的实际工程资料来选择合适的基桩。需要参考的工程资料主要岩土工程勘探资料、建筑场地的情况、拟建高层建筑的平面布置等以及施工工艺对地质条件和周边环境的适应性和施工周期要求等；然后，要结合工程实践合理确定建筑基础桩型及其单桩承载力特征值。可以按照结构荷载条件来选择不同规格的基桩，同时也可以根据施工周期等来进行调整，例如周期紧时可以优先选择预制桩，最终组织各方意见后确定最终的基础方案，达到降低基础工程造价的目的。
另外，同一结构单元宜采用桩长相近的桩，相邻桩底标高差应在合理范围内；尽量选择较硬土层作为桩端持力层，根据地质情况确定桩端入持力层深度，并尽量达到桩端阻力的临界深度；对端承桩采用较大桩径或入基岩扩底，对摩擦桩宜采用细长桩；对于裙桩基础，宜根据变刚度调平原则，疏密结合，使各桩受力较均匀，并应尽量使上部荷载中心与桩群的横截面形心重合或接近。
（2）高层建筑结构桩基础研究现状
高层建筑结构桩基础的研究现状主要体现在理论研究和实践应用相脱节方面。桩基础的研究已经非常久远了，在上世纪中叶就有相关研究公诸于世，随着世界科技和经济的进步，计算方法进行了非常大的改进，虽然大量岩土工程科学家进行一系列行之有效的模型试验和工程检测检测等，但是理论成果用于实践时往往显得很单薄。
其次，在进行桩基工程静载实验时，其结果往往和试桩设计相去甚远，而达不到设计要求。设计人员往往通过修改加密桩基设计图或设计参数来进行补救，这样就使得结果超过设计要求太多，虽然保证了安全性，却使得经济效益大打折扣。在这种情况下，是有必要进行优化的，如果超过设计太多，就要进行二次试桩，当然，也延长了整个项目的建设周期。
还有，在对整个高层建筑进行沉降分析时，实际得出的沉降却总是比规范计算的沉降要小了很多。而如何使用桩土相互作用的理论来估计更为准确的沉降，也需要进行进一步的研究。
（3）桩土相互作用的基本理论
对桩土相互作用进行理论分析的方法主要有多质点系模型、弹性理论法、弹性梁基础和数值分析法等。它们各自都有优缺点，但是数值分析法是當前应用最为普及的方法，它主要包含边界元法、离散元法和有限元法等，其中边界元法由于优势显著而得到广泛应用。有限元法诞生了近50年，其理论得到不断的丰富和发展。桩基础问题是比较复杂的建筑问题，目前由于受到承台刚度、桩基承台连接条件、桩基体系传力机制及单桩和群桩工作形态差别等的影响，使其与一般的结构相互作用的问题大不相同，是岩土工程界目前尚未很好解决的难题。因此，下文将在有限元分析的理论基础上，对单桩和群桩的简化进行探讨。
3.高层建筑结构桩基础简化措施
（1）“桩土分离模式”进行单桩简化
使用有限元模拟是进行单桩分析的有效手段。有限元中的方法形态十分丰富，且其算法比较通用，再加上其对材料的几何拓扑比较适应，都使得其得到了广泛的应用，尤其是在求解结构工程的时候。
在进行单桩计算时，可以通过有限元分析来达到简化的目的。这是因为，传统的结构设计计算方法采用的都是不同程度回避桩土结构间的相互作用，对其不做过多的考虑。比如使用地基反力系数法把土地对桩的反作用力等复杂因素通过Winker进行假定，认为其仅仅为单纯的反力系数作用于桩上。而有限元分析却可以综合考虑这些客观存在的事实条件。它可以对力学响应的非线性、土地材料性质的空间差异性和比较复杂的几何边界条件进行综合分析等，不仅求解力学问题简便，同时便于二次开发，相较传统的计算理论有明显的优势。
因此，对单桩的简化分析采取的是将桩和土分别划分单元的方法，要注意这两种单元也不是固定不变的，在它们其中还可以细化设置单元。在利用有限元进行单桩简化分析时，要特别注意单元尺寸的选取对计算结构的影响。其实有时候，单元数量会划分的特别巨大，从而造成计算的困难，因此在实际操作中，可以适当删繁就简，抓住主要部分，以提高工作效率。
（2）“桩土复合模式”进行群桩简化
通过上文的分析，虽然可以达到简化单桩的目的，但是如果在进行高层建筑物的上下部相互作用的研究中，重点基本都放在宏观反应上，也即外部作用下的桩土受力变形。笔者经过实践认为，对群桩进行简化，可以采取桩土复合模式进行群桩有限元分析，也即是将桩土等效连续化处理，桩弥散于土中，视群桩基础为桩土合一的复合材料。这样，在进行有限元分析时，可将单元的尺度取较大的数值，从而减少了单元的数量，提高了有限元分析方法的可操作性和实用性。
在进行计算时，可以通过有限元分析的方法来模拟桩的沉降和荷载关系，以达到简化算法的目的。在实际中，通过群桩基础规范法计算出来的沉降和实际荷载作用下的沉降相比，其值要大的多。为了尽量使其值接近且简化运算，可以采用将垂直于桩轴线的桩土共同作用的平面作为各向同性的面，把桩土三维结构体系作为横观各向同性体。依据桩土各自的弹性模量和泊松比以及桩土这两种材料复合成新的横观各向同性体的九个材料参数(其中只有五个材料参数是独立的)，用等效复合体模型计算桩土荷载沉降反应分析。同时要注意群桩上面作用荷载的特点与单桩静力试桩有很大的差别，这点不在赘述。对计算的简化，可以通过下面的方法来达到：把等效复合体模型的参数计算编成程序，修改桩、土的五个参数，在matlab软件上运行即可得到复合模型的九个参数。计算时需注意xoz平面是各向同性的平面。
因此，在实际中可以证明，该种方法模拟的桩基沉降，比着规范上要精确许多，在工程实测中要着重要的现实意义。
4.结语
综上所诉，高层建筑在当前社会占有重要的地位，对其桩基础的简化分析非常重要。桩基础是目前应用非常广泛的一种基础形式，也是最古老的一种基础形式之一，其在软弱地基上的应用具有无法比拟的优势。本文基于笔者的实践工作经验，结合当前高层建筑结构桩基础的应用现状和设计原则的基础上，利用当前热门的有限元分析法，对单桩和群桩的简化进行了分析和探索，当然，具体的应用还要和实践工程紧密结合，相关人员要结合相关理论，勇于实践，为高层建筑结构桩基础的工程应用做出一定的贡献。
参考文献
[1] 刘利民等编著.桩基工程的理论进展与工程实践[M]. 中国建材工业出版社, 2002.
[2] 涂涛. 预应力混凝土管桩承载性能的研究[D]. 长安大学 2009.
[3] 张正维.超高层建筑巨型框架—核心筒体结构与其基础地基共同工作分析[D]. 河南理工大学 2007.
[4] 叶建忠,周健. 桩土协同工作的接触面研究现状[J]. 西部探矿工程. 2004(02) .
[5] 喻尚群. 静压桩的沉桩机理及常见问题分析[J]. 广西水利水电. 2005(04) .
[6] 程晔,龚维明,戴国亮,季杰.超长大直径钻孔灌注桩桩端承载力研究[J]. 南京航空航天大学学报. 2007(03).