论文部分内容阅读
摘要：主要对高层建筑基础的选型及平板式筏形基础的结构设计进行了介绍，并重点阐述运用上部结构、基础和地基共同作用的分析原理，对高层建筑筏形基础的地基承载力验算、筏形基础底板厚度的确定、筏形基础埋深确定、筏形基础的变形控制、筏形基础的抗浮等进行了分析。
【关键词】： 高层建筑筏形基础 地基承载力刚度
Abstract:
Mainly introduces the base selection of high-rise buildings and flatbed structural design of raft foundations, And focuses on the use of the upper part of the structures, the bases and foundation interaction analysis principle. the foundation bearing capacity for high-rise buildings of raft foundations, the determination of slab thickness for the raft foundation, the raft foundation depth’s determination and the deformation of raft foundations are carried out, and also anti-floating analysis.
Key Words:high-rise buildingraft foundation Bearing capacitystiffness
中图分类号： TU97文献标识码：A文章编号：
1概述
高层建筑采用的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，地下室底板下的岩土层若为风化残积土层、全风化岩层、强风化岩层或中风化软岩层，有可能采用天然基础。高层建筑地下室通常作为地下车库，不允许设置过多的剪力墙，从而限制了箱型基础的使用；筏板基础整体刚度大，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，因而成为较合理的基础型式。
2基础选型
筏形基础主要有平板式和梁板式筏形基础两种类型，其选型要根据地基土质、上部结构体系、荷载大小、柱距、使用要求以及施工條件等因素确定。平板式筏板基础的施工简单，在高层建筑基础中得到广泛的应用[1]。
3筏形基础的结构设计
3.1筏形基础的平面布置
尽量使建筑物竖向永久荷载重心与筏形基础底板平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应由地基条件、柱距及柱荷载大小、尽量减少偏心等因素确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3[2]。
3.2筏形基础厚度的确定
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，板厚不宜小于400mm，局部柱距及柱荷载较大时，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能力，避免因部分柱而加厚整个筏板。除强度验算外，还要求筏板基础有较强的整体刚度。常用经验是按地上楼层数估算筏板厚度，每层约取板厚50mm。
3.3筏形基础埋深及承载力的确定
高层建筑的基础应有一定的埋深，在确定建筑物的埋深时应综合考虑建筑的地基土质、高度、体型、抗震设防烈度等因素。基础埋深应从室外地坪算至筏板底面，天然基础或者复合地基可取房屋高度的1/15[3]。
天然筏板基础属于补偿性基础， 因此地基的确定有两种方法，一是地基承载力设计值的直接确定法，它是根据地基承载力标准值按照有关规范通过深度和宽度的修正得到承载力设计值，并采用原位试验与室内土工试验相结合的综合判断法来确定岩土的特性；二是按照补偿性基础分析地基承载力，如某栋地上26 层、地下2 层(底板埋深10m ) 的高层建筑，由于将原地面下10m 厚的原土挖除，则卸土土压力达180kpa，约相当于11 层楼的荷载重量；如果地下水位为地面下2m，则水的浮托力为80kpa，约相当于5 层楼的荷载重量，因此实际需要的地基承载力为12层楼的荷载，即当地基承载力标准值f ≥ 250kpa 时就能满足设计要求。
3.4筏形基础的内力分析
筏板基础的内力分析常用简化计算方法，最基本的特点是将由上部结构、基础和地基三部分构成的一个完整的静力平衡体系，分割成三部分并独立求解。倒楼盖法是一种简化计算方法，倒楼盖法适用于地基土层比较均匀、筏板基础和上部结构刚度相对较大、柱轴力及柱距相差不大；其不足点是完全不能考虑基础的整体作用，也无法计算挠曲变形，加大上部结构刚度的影响。
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；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，考虑了次应力，计算会偏安全。
随着计算软件的开发，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到应用，基础按弹性地基上板考虑，地基模型采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型，常用数值分析方法为有限元法。
根据共同作用的分析原理，由节点平衡条件有如下方程：
( [ Kb ] + [ Ks ] ) {δ} = { F }
其中：[ Kb ] ── 整个结构(包括基础)的刚度矩阵
[ Ks ] ── 地基刚度矩阵
{δ}──节点位移列向量
{ F }──荷载列向量
求解上述方程，得到节点位移，由节点位移求得筏板基础基底反力和内力。根据计算结果，按有关规范可验算筏板基础的地基承载力、变形及计算构件的配筋。
运用上述设计原理，计算筏板基础的内力及验算地基变形，关键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。
3.5筏形基础的配筋构造
筏形基础的混凝土强度等级不宜低于C30，有地下室时采用防水混凝土。筏板板筋宜双向双层配置，局部柱距较大及内力较大处钢筋间距可适当加密，配筋率不宜小于0.2%。筏板厚度变化处或标高变化处，宜采用放斜角平滑过渡，避免应力集中。
4天然筏形基础的变形控制
地基的验算应包括地基承载力和变形两个方面，对于高层或超高层建筑，变形起着重要的控制作用。目前的理论水平计算结果误差较大，使设计人员很难把握，有时由于沉降量计算偏大，导致原来可以采用天然地基的高层建筑，不适当地采用了桩基础，使基础设计过于保守，造价提高。为协调各部分的变形，使其趋于一致，还可通过变形验算调整独立柱基的面积.既满足结构使用要求， 又达到相当可观的经济效益，常采用的措施：
一 将地质较差的土层挖出一部分，换填成低等级强度的素混凝土形成素混凝土厚垫块，以改变和调整地基的不均匀变形；
二 调整上部结构荷载或柱网间距，减小基底压力差；
三 调整筏板基础形状和面积，适当设置悬臂板，均衡和降低基底压力；
四 加强底板的刚度和强度，在大跨度柱间设置加强板带或暗梁等。
5筏形基础抗浮锚杆的设置
不少设计人员担心地下水位对底板的浮托力而设置抗拔锚杆，地下室上浮是因为地下室结构及上部结构的荷载重量不足以克服地下水的浮力，当筏板基础底板上的结构重量大于实际上浮力后，整个基础结构就能稳定。
在计算地下水的浮托力时要注意的是筏基底板所承受的浮托压力只是底板与地基岩土的缝隙水压力、孔隙水压力，板承受的浮托力与地基岩土的缝隙发育程度、孔隙率有关，其实际压力强度小于静水压强，底板的水承压面积并非全部。由于底板与地基岩土已粘结成整体，因而能提供一定的粘结(抗拔) 力。有关试验资料认为有效粘结面积占底板面积最小比率为K = 50%，而粘结强度最低为250kpa，应通过试验确定浮托力的估算：当K = 50%～ 100% 时，如地下水位为-2.0m 的深10m的地下两层基坑，当底板厚度1 600mm，顶板单位荷重为1 600kg，则单位面积的浮托力T 和地下室结构重量W分别为：T = 80×(50%～ 100% )= 40kpa～ 80kpa，W = 1. 6×25+ 16×2= 72. 0kpa从以上分析和讨论可见，即使按K = 1 计算使浮托力T 最大, T 与W 的差值也只有8. 0kpa，待地面上施工1~2 层后，就能保持整体平衡，因此只要在地下室施工过程中能保持基坑干燥，基础和地下室結构及地上二层结构施工完成后，就可放弃对地下水位的监测，从施工过程来看是无需设置抗浮锚杆，对于一些地下室较大、较深而地面以上结构层数不多的建筑，则应根据上述总体平衡的原则计算确定抗浮锚杆，对于地下室面积较大而主体塔楼面积较小的建筑，应验算裙房部位的浮托力能否与结构自重相平衡，否则也应设置抗浮锚杆，在底板配筋设计时应注意到由于水的浮托力使底板产生的弯矩，当板下不设置抗浮锚杆时应全面考虑浮托力产生的弯矩，当底板设置抗浮锚杆后则可适量减少底板的配筋量。
6结语
高层建筑基础选型在整个结构设计中非常重要，其设计的好坏关系到建筑物的安全使用、施工工期和投资额度。本文对高层建筑基础的选型进行了探讨，并着重介绍平板式筏板基础的结构设计，对于场地土质比较好的位置，可以选用筏板基础，以便做到结构设计的经济合理。
参考文献：
1.GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].
2.JGJ6-2011 高层建筑筏形与箱型基础技术规范[S].
3 JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
作者简介：宋子收 （1984年9月） 硕士 从事结构设计
籍贯 河北衡水
【关键词】： 高层建筑筏形基础 地基承载力刚度
Abstract:
Mainly introduces the base selection of high-rise buildings and flatbed structural design of raft foundations, And focuses on the use of the upper part of the structures, the bases and foundation interaction analysis principle. the foundation bearing capacity for high-rise buildings of raft foundations, the determination of slab thickness for the raft foundation, the raft foundation depth’s determination and the deformation of raft foundations are carried out, and also anti-floating analysis.
Key Words:high-rise buildingraft foundation Bearing capacitystiffness
中图分类号： TU97文献标识码：A文章编号：
1概述
高层建筑采用的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，地下室底板下的岩土层若为风化残积土层、全风化岩层、强风化岩层或中风化软岩层，有可能采用天然基础。高层建筑地下室通常作为地下车库，不允许设置过多的剪力墙，从而限制了箱型基础的使用；筏板基础整体刚度大，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，因而成为较合理的基础型式。
2基础选型
筏形基础主要有平板式和梁板式筏形基础两种类型，其选型要根据地基土质、上部结构体系、荷载大小、柱距、使用要求以及施工條件等因素确定。平板式筏板基础的施工简单，在高层建筑基础中得到广泛的应用[1]。
3筏形基础的结构设计
3.1筏形基础的平面布置
尽量使建筑物竖向永久荷载重心与筏形基础底板平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应由地基条件、柱距及柱荷载大小、尽量减少偏心等因素确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3[2]。
3.2筏形基础厚度的确定
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，板厚不宜小于400mm，局部柱距及柱荷载较大时，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能力，避免因部分柱而加厚整个筏板。除强度验算外，还要求筏板基础有较强的整体刚度。常用经验是按地上楼层数估算筏板厚度，每层约取板厚50mm。
3.3筏形基础埋深及承载力的确定
高层建筑的基础应有一定的埋深，在确定建筑物的埋深时应综合考虑建筑的地基土质、高度、体型、抗震设防烈度等因素。基础埋深应从室外地坪算至筏板底面，天然基础或者复合地基可取房屋高度的1/15[3]。
天然筏板基础属于补偿性基础， 因此地基的确定有两种方法，一是地基承载力设计值的直接确定法，它是根据地基承载力标准值按照有关规范通过深度和宽度的修正得到承载力设计值，并采用原位试验与室内土工试验相结合的综合判断法来确定岩土的特性；二是按照补偿性基础分析地基承载力，如某栋地上26 层、地下2 层(底板埋深10m ) 的高层建筑，由于将原地面下10m 厚的原土挖除，则卸土土压力达180kpa，约相当于11 层楼的荷载重量；如果地下水位为地面下2m，则水的浮托力为80kpa，约相当于5 层楼的荷载重量，因此实际需要的地基承载力为12层楼的荷载，即当地基承载力标准值f ≥ 250kpa 时就能满足设计要求。
3.4筏形基础的内力分析
筏板基础的内力分析常用简化计算方法，最基本的特点是将由上部结构、基础和地基三部分构成的一个完整的静力平衡体系，分割成三部分并独立求解。倒楼盖法是一种简化计算方法，倒楼盖法适用于地基土层比较均匀、筏板基础和上部结构刚度相对较大、柱轴力及柱距相差不大；其不足点是完全不能考虑基础的整体作用，也无法计算挠曲变形，加大上部结构刚度的影响。
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；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，考虑了次应力，计算会偏安全。
随着计算软件的开发，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到应用，基础按弹性地基上板考虑，地基模型采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型，常用数值分析方法为有限元法。
根据共同作用的分析原理，由节点平衡条件有如下方程：
( [ Kb ] + [ Ks ] ) {δ} = { F }
其中：[ Kb ] ── 整个结构(包括基础)的刚度矩阵
[ Ks ] ── 地基刚度矩阵
{δ}──节点位移列向量
{ F }──荷载列向量
求解上述方程，得到节点位移，由节点位移求得筏板基础基底反力和内力。根据计算结果，按有关规范可验算筏板基础的地基承载力、变形及计算构件的配筋。
运用上述设计原理，计算筏板基础的内力及验算地基变形，关键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。
3.5筏形基础的配筋构造
筏形基础的混凝土强度等级不宜低于C30，有地下室时采用防水混凝土。筏板板筋宜双向双层配置，局部柱距较大及内力较大处钢筋间距可适当加密，配筋率不宜小于0.2%。筏板厚度变化处或标高变化处，宜采用放斜角平滑过渡，避免应力集中。
4天然筏形基础的变形控制
地基的验算应包括地基承载力和变形两个方面，对于高层或超高层建筑，变形起着重要的控制作用。目前的理论水平计算结果误差较大，使设计人员很难把握，有时由于沉降量计算偏大，导致原来可以采用天然地基的高层建筑，不适当地采用了桩基础，使基础设计过于保守，造价提高。为协调各部分的变形，使其趋于一致，还可通过变形验算调整独立柱基的面积.既满足结构使用要求， 又达到相当可观的经济效益，常采用的措施：
一 将地质较差的土层挖出一部分，换填成低等级强度的素混凝土形成素混凝土厚垫块，以改变和调整地基的不均匀变形；
二 调整上部结构荷载或柱网间距，减小基底压力差；
三 调整筏板基础形状和面积，适当设置悬臂板，均衡和降低基底压力；
四 加强底板的刚度和强度，在大跨度柱间设置加强板带或暗梁等。
5筏形基础抗浮锚杆的设置
不少设计人员担心地下水位对底板的浮托力而设置抗拔锚杆，地下室上浮是因为地下室结构及上部结构的荷载重量不足以克服地下水的浮力，当筏板基础底板上的结构重量大于实际上浮力后，整个基础结构就能稳定。
在计算地下水的浮托力时要注意的是筏基底板所承受的浮托压力只是底板与地基岩土的缝隙水压力、孔隙水压力，板承受的浮托力与地基岩土的缝隙发育程度、孔隙率有关，其实际压力强度小于静水压强，底板的水承压面积并非全部。由于底板与地基岩土已粘结成整体，因而能提供一定的粘结(抗拔) 力。有关试验资料认为有效粘结面积占底板面积最小比率为K = 50%，而粘结强度最低为250kpa，应通过试验确定浮托力的估算：当K = 50%～ 100% 时，如地下水位为-2.0m 的深10m的地下两层基坑，当底板厚度1 600mm，顶板单位荷重为1 600kg，则单位面积的浮托力T 和地下室结构重量W分别为：T = 80×(50%～ 100% )= 40kpa～ 80kpa，W = 1. 6×25+ 16×2= 72. 0kpa从以上分析和讨论可见，即使按K = 1 计算使浮托力T 最大, T 与W 的差值也只有8. 0kpa，待地面上施工1~2 层后，就能保持整体平衡，因此只要在地下室施工过程中能保持基坑干燥，基础和地下室結构及地上二层结构施工完成后，就可放弃对地下水位的监测，从施工过程来看是无需设置抗浮锚杆，对于一些地下室较大、较深而地面以上结构层数不多的建筑，则应根据上述总体平衡的原则计算确定抗浮锚杆，对于地下室面积较大而主体塔楼面积较小的建筑，应验算裙房部位的浮托力能否与结构自重相平衡，否则也应设置抗浮锚杆，在底板配筋设计时应注意到由于水的浮托力使底板产生的弯矩，当板下不设置抗浮锚杆时应全面考虑浮托力产生的弯矩，当底板设置抗浮锚杆后则可适量减少底板的配筋量。
6结语
高层建筑基础选型在整个结构设计中非常重要，其设计的好坏关系到建筑物的安全使用、施工工期和投资额度。本文对高层建筑基础的选型进行了探讨，并着重介绍平板式筏板基础的结构设计，对于场地土质比较好的位置，可以选用筏板基础，以便做到结构设计的经济合理。
参考文献：
1.GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].
2.JGJ6-2011 高层建筑筏形与箱型基础技术规范[S].
3 JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
作者简介：宋子收 （1984年9月） 硕士 从事结构设计
籍贯 河北衡水