淺談高層建筑基礎設計的內在潛力

摘要：高層建筑基礎設計的潛力很大，主要為基礎底板所承受彎曲內力遠遠小于常規計算值和地下室對基礎整體的有利貢獻，設計中應根據結構的具體情況認真分析。

關鍵詞：基礎潛力 高層基礎

0 引言

高層建筑的基礎上部整體連接著層數很多的框架、剪力墻或筒體結構，地下室四周很厚的擋土墻又緊貼著有效側限的密實回填土，下部又連接著沿深度變化的地基。無論在豎向荷載還是水平荷載的作用下，他們都會有機的共同作用，相互協調變形。盡管在這方面的設計計算理論不夠完善，但如果把基礎從上部結構和下部地基的客觀邊界條件中完全隔離出來進行計算，是無法達到真正設計要求的目的的。現在設計人員所用的一體化計算機結構設計程序也沿襲著不具體充分考慮相互作用的常規計算方法，設計的計算結果往往和工程實測的結果有一定差距。

1 基礎底板的內在潛力

無論是箱基還是筏基，諸多工程的實測都顯示：底板的整體彎曲率都很小，往往都不到萬分之五。據資料顯示法蘭克福展覽會大樓的筏板實測繞曲率只有2.55x10-4。而測得的筏板鋼筋應力一般都在20-30N/mm²之間。個別內力較大的工程也極少超過70N/mm²。出現這種基礎底板內力遠遠小于常規計算方法的因素很多，如在基礎底板施工時，只有底板的自重，且無任何上部結構的邊界約束，而混凝土的硬化收縮力大，在底板的收縮應變的過程中，使混凝土的縱向鋼筋產生預壓應力，若混凝土的硬化收縮當量為15℃，則鋼筋的預壓應力可達31.5N/mm²，據相關資料陜西省郵政電信網管中心大樓測得的筏板鋼筋預壓應力為31.5N/mm²，相當于十分之一的設計強度，從而在正常工作狀態下抵消了部分拉應力，使鋼筋的受力變小；另外，基礎底面和地基土之間巨大的摩擦力起著一定程度的反彎曲作用。摩擦力使整棟建筑的客觀邊界條件不能視而不見。特別是對于天然地基的箱形和筏形基礎來講，地基土都比較堅實，變形模量、基床系數都比較大，則基礎底板的內力和相應的撓曲率勢必會相應減少。

除上述因素外，最主要的是上部結構和地下室整體剛度的貢獻，并參與了基礎的共同抗力，起到了拱的作用，從而減小了底板的撓曲和內力。對若干工程基礎受力鋼筋的應力測試表明，在建筑物施工底部幾層時，基礎鋼筋的應力是處于逐漸增長的狀態，變形曲率也逐漸加大。施工到上部第四、五層時，鋼筋的應力達到了最大值。然后隨著層數及其相應的荷載逐步增加，底板鋼筋的應力又逐漸減小，變形曲率也逐漸減緩。其原因是，在施工底部四、五層時。已建上部結構的混凝土尚未達到強度，剛度也尚未形成，這時的上部荷載全部由基礎底板來單獨承擔。而隨著繼續往上施工，上部結構的剛度逐次形成，并逐漸加大，和基礎底板整體作用，共同抗力，則產生拱的作用，使基礎地板的變形趨于平緩。例如北京中醫院工程箱形基礎的現場實測顯示，底板和頂板均為拉應力，充分說明了由于上部結構和基礎共同作用，彎曲變形的中和軸以移到上部結構。

綜合上述可以看出，高層建筑基礎底板實際所承受的彎曲內力都遠遠小于常規計算值，有很大的內在潛力。所以在具體工程項目的設計中，必須細心把握，否則基礎截面和配筋量都會比實際所需的大很多，造成不必要浪費。

2 地下室對基礎的潛在貢獻

高層建筑宜設置地下室，因為地下室除了能增加建筑物的使用空間功能外，還在整個建筑物的正常工作狀態下，其下對地基基礎，上對地面以上整體結構的受力性能都會有很大貢獻。主要體現在以下幾個方面。

地下室深基坑的開挖，對天然地基或復合地基的基礎能起到很大的卸載和補償作用，從而減少了地基的附加壓力。例如，一棟地上36層，地下2層的高層建筑，若筏板底埋深9m，在基坑周圍井點降水后，將原地面以下9m厚的巖土挖去建造地下室，則卸去的土壓力為9x18=162kPa，約相當于10層樓的標準荷載重量。如果該場地的地下水位為地表下2m，當地下室建成后，井點降水終止，則地下水回升正常水位的浮托力為70kPa，約相當于4層樓的標準荷載重量。所以，地基實際上所需支承僅36+2-10-4=24層樓的荷重，卸去了約36%的上部荷載，從而大大降低了對地基承載力的要求。

由于地下室具有一定埋置深度，周邊都有按設計要求夯實的回填土，所以地下室前、后鋼筋混凝土外墻的被動土壓力和側墻的摩擦阻力都限制了基礎的擺動，加強了基礎的穩定，并使基礎底板的壓力分布趨于平緩。所以，很多資深結構設計人員認為，當地下室的埋深大于建筑物高度的1/12~1/10時，完全可以克服和限制偏壓引起的整體傾復問題。對于高層建筑的基礎設計，結構工程師必須加強對地下室周邊回填土的質量要求和控制，以避免不認真夯實回填土的情況產生。內摩擦角越大，土回填就越密實，抗剪強度越高，提供的被動土壓力也就越大，對基礎的穩定越有保證。同時地下室外墻與回填土之間巨大接觸面積上的摩擦力同樣也對地基基礎起著很大的卸載與補償作用。

地下室結構的層間剛度要比上部結構大得多，地下建筑的井筒、剪力墻和柱都直接貫通到地下室，特別是地下室外墻都是很厚且開洞極少的鋼筋混凝土擋土墻，在大面積的被動土壓力與摩擦阻力的側限下，與地基土形成整體，地震時與地層移動同步。所以無論是箱形還是筏形基礎，地下室的頂板和底板之間基本上不可能出現層間位移。而且，地下室與地基及周邊土的共同作用又反過來對上部結構的整體剛度提供了一定的補償性貢獻。無論是模擬試驗和理論分析的結果都充分顯示，在上部結構和工程地質條件完全相同的情況下，有地下室的高層建筑的自振周期要比無地下室的小，而且有樁基的要小于天然地基的，大直徑樁的要小于小直徑樁的。同時，有兩層地下室的整體剛度要大于只有一層地下室的。

總之，高層建筑基礎設計的潛力很大，如果在所依據的計算理論不夠完善的情況下，再無端保守的加大箱（筏）形基礎底板的厚度、配筋量和布樁的數量，會造成很大的浪費和及其不良的綜合經濟效益。在具體工程項目的設計中，我們應憑借自身擁有的概念和正確的判斷力進行把握，如果一味盲目保守，不但有損自身信譽，造成很大浪費，還有被行業淘汰的可能。

參考文獻：

[1]戴國強.復雜地基條件高層建筑基礎設計實例建筑結構.1999（4）.

[2]齊良峰，張保印.高層建筑樁筏基礎筏板內力的現場實測與分析.工業建筑.2004（1）.

[3]林穎孜.樁—土—筏基礎共同工作的設計與實例分析.建筑結構 2003（7）.

[4]朱百里.補償式摩擦樁基—訪法蘭克福展覽會大樓.巖土工程師1990（3）.

[5]趙錫宏，龔劍.樁筏（箱）基礎的荷載分擔實測，計算和機理分析.巖土力學.2005（3）.

[6]董建國，趙錫宏.高層建筑地基基礎的共同作用理論與實踐.同濟大學出版社.1996.

[7]陳天雷.高層建筑箱基基礎設計中的若干問題探討.工業建筑1996（12）.