高層建筑平板式筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算與優(yōu)化

郭秀麗

近年來(lái),城市化加快,建筑業(yè)蓬勃發(fā)展,城市用地日趨緊張,高層建筑發(fā)展迅猛。而高層建筑因豎向荷載大,水平力(風(fēng)荷載和地震荷載)引起的傾覆力矩成倍增長(zhǎng),且對(duì)沉降敏感,故高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以樁基礎(chǔ)為主。筆者認(rèn)為,當(dāng)殘積土、全風(fēng)化巖等承載力較大土層埋深較淺時(shí),可充分利用其承載力,采用剛度大整體性好的筏板基礎(chǔ)。既可以滿足高層建筑對(duì)基礎(chǔ)的要求,又能夠大大縮短工期、節(jié)省投資。

1 高層建筑基礎(chǔ)選用筏形基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)

1)筏形基礎(chǔ)可充分發(fā)揮地基承載力。2)筏形基礎(chǔ)沉降小,調(diào)整地基不均勻沉降的能力強(qiáng)。3)施工方便且造價(jià)低。

2 筏形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 筏板類型的確定

相同的地質(zhì)條件,選用平板式筏板還是梁板式筏板,要根據(jù)工程地質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)體系、柱距、荷載大小以及施工條件等綜合確定。其主要優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。

2.2 筏板厚度的確定

規(guī)范規(guī)定:筏板厚度由抗沖切及抗剪強(qiáng)度確定,且須滿足抗?jié)B要求。對(duì)于局部荷載較大的柱,等厚度筏板沖切承載力不能滿足要求時(shí),可將筏板局部加厚、筏板上面增設(shè)柱墩、配置暗梁且配置抗沖切箍筋來(lái)提高抗沖切承載力,避免因少數(shù)柱而將整個(gè)筏板加厚。

筏板厚度的確定,除按柱底軸力及沖切面積的大小確定外,尚應(yīng)考慮以下因素:

1)基礎(chǔ)沉降的不均勻性。2)基礎(chǔ)與地基巖土的相對(duì)剛度。

表1 不同類型筏板優(yōu)缺點(diǎn)分析表

2.3 合理的地基計(jì)算模型選取

1)彈性地基梁(樁與土按文克爾地基模型)。彈性地基梁板模型即文克爾模型,是一種最簡(jiǎn)單的線彈性模型。其基本假定是地基土邊界面上任一點(diǎn)處的沉降 W(x,y)與該點(diǎn)所承受的壓力強(qiáng)度p(x,y)成正比,而與其他點(diǎn)上的壓力無(wú)關(guān),其計(jì)算公式為:

其中,k為基床反力系數(shù)。

該模型主要用于抗剪強(qiáng)度極低的流態(tài)淤泥質(zhì)土或地基土塑性區(qū)開(kāi)展比較大的基礎(chǔ)。另外,當(dāng)厚度不超過(guò)基底短邊之半的薄壓縮層地基時(shí),因壓力比較大,剪應(yīng)力比較小,所以也比較符合文克爾模型假定。

2)倒扣樓蓋(樁與土反力按剛性板假設(shè)求出)。倒樓蓋模型假定結(jié)構(gòu)上部剛度無(wú)窮大,地基反力均勻布置在基礎(chǔ)底面。在內(nèi)力計(jì)算時(shí)不考慮基礎(chǔ)整體彎曲所產(chǎn)生的影響,而只按照倒樓蓋的方式進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。這種方式計(jì)算方法簡(jiǎn)單,易于手算。

3)單向壓縮分層總和法——彈性解Mindlin應(yīng)力公式。單向壓縮分層總和法也可以稱為分層地基模型。該方法主要考慮了土的壓縮特性以及地基的有限壓縮層深度的影響,在土體的附加應(yīng)力計(jì)算時(shí)采用彈性力學(xué)的方法計(jì)算,而地基的變形計(jì)算時(shí)則采用土力學(xué)中的分層總和法,使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。其計(jì)算方法為:

其中,σzi為第i層土的平均附加應(yīng)力,kN/m2;Hi為第i層土的厚度,m;Esi為第i層土的壓縮模量,kN/m2。

4)單向壓縮分層總和法——彈性解修正*0.5ln(D/Sa)。按照彈性半空間地基模型中的Mindlin應(yīng)力公式計(jì)算出來(lái)的基礎(chǔ)沉降和內(nèi)力往往偏大,有的時(shí)候直接用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差,因此,在明德林應(yīng)力公式的計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行修正,其修正系數(shù)為0.5ln(D/Sa)。其中,D為集中力作用點(diǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離;Sa為集中力作用點(diǎn)離計(jì)算點(diǎn)的距離。按此地基模型的計(jì)算結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)果較為接近。

2.4 筏板的內(nèi)力分析

1)筏板基礎(chǔ)的板厚通常較大,其空間受力性強(qiáng),普通的薄板理論已不再適用,而應(yīng)采用考慮板剪切變形的中厚板理論或三維實(shí)體單元來(lái)分析。可將其模擬為板元或殼元,采用有限元法進(jìn)行分析。2)筏板內(nèi)力計(jì)算時(shí),宜考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度,上部結(jié)構(gòu)剛度一般取底部三層高度。3)采用有限元計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力時(shí),應(yīng)先計(jì)算基礎(chǔ)的總沉降,然后計(jì)算地基土的基床系數(shù),再根據(jù)地基土的不均勻性對(duì)基床系數(shù)進(jìn)行修正。在計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力的過(guò)程中考慮地基土的相互影響,這種做法切實(shí)可行。

2.5 地基穩(wěn)定性及整體傾斜驗(yàn)算

高層建筑因質(zhì)心高、荷載重,對(duì)基礎(chǔ)底面難免有偏心,為減少基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜,應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)豎向荷載重心與筏板平面形心相重合。對(duì)于高層建筑,通過(guò)限制傾斜角來(lái)控制不均勻沉降與傾斜程度。

2.6 筏板的構(gòu)造要求

1)筏板受力筋應(yīng)滿足規(guī)范中0.15%的配筋率要求,因筏板較厚,除按計(jì)算確定配筋外,構(gòu)造鋼筋也須滿足。2)筏形邊緣宜外挑,通過(guò)懸挑減少偏心,均衡和降低基底壓力。挑出長(zhǎng)度宜為邊跨柱距的1/4～1/3,對(duì)于平板式筏板,挑出長(zhǎng)度不宜小于1.0倍～1.5倍的板厚。3)懸挑板角處應(yīng)設(shè)置放射狀附加鋼筋等。4)加強(qiáng)底板的剛度和強(qiáng)度,在大跨度柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶或暗梁等。

3 工程實(shí)例

由我院設(shè)計(jì)的金大洲住宅小區(qū),位于惠州市仲愷高新開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi),其中16號(hào)樓為34層的高層住宅,建筑總高度為99.8 m,主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu),設(shè)一層地下室。

本工程主體為剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻間距小,剛度大,整體性好,故基礎(chǔ)采用平板式筏板。筏板厚度結(jié)合上部剪力墻間距、荷載分布及地基剛度綜合計(jì)算后確定為1 400 mm,C30混凝土,HRB335主筋。

基礎(chǔ)計(jì)算采用PKPM CAD工程部編寫(xiě)的JCCAD進(jìn)行分析計(jì)算,對(duì)筏板按有限元網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分,并按板元法計(jì)算。

上部結(jié)構(gòu)用SATWE計(jì)算時(shí)點(diǎn)取“生成基礎(chǔ)的剛度”選項(xiàng),考慮上部結(jié)構(gòu)剛度凝聚,在基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)迭加上部結(jié)構(gòu)凝聚剛度和荷載向量,筏板上剪力墻考慮高度為10 m,有限元網(wǎng)格劃分為1 m網(wǎng)格。

本工程沉降計(jì)算時(shí)首先要按地勘報(bào)告輸入地質(zhì)數(shù)據(jù),讀取考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后的SATWE荷載,進(jìn)行沉降試算。計(jì)算出平均沉降S1,求出板底土反力基床系數(shù)K。

K=總面荷載值 p(準(zhǔn)永久值)/平均沉降S1(m)。對(duì)于基底土局部地層分布不均勻,采取換填低強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土或采用碎石、卵石等材料碾壓或振密處理,上部結(jié)構(gòu)荷載在筏板基礎(chǔ)上分布不均勻,可以對(duì)其K值進(jìn)行修正。

本工程基礎(chǔ)采用平板式筏板,設(shè)計(jì)中按有限元計(jì)算并考慮不利因素適當(dāng)調(diào)整配筋。其配筋量比倒扣樓蓋節(jié)省25%左右。工程施工完后,主體沉降等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是制約高層建筑的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工難度和工期。因此高層建筑的基礎(chǔ)選型應(yīng)因地制宜,對(duì)于場(chǎng)地簡(jiǎn)單、承載力高的土層埋藏較淺時(shí),可選用筏板基礎(chǔ),并選擇合理的計(jì)算模型進(jìn)行分析計(jì)算,可以做到“安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”的預(yù)期目標(biāo)。

[1] GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 錢(qián)力航.高層建筑箱基與筏形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[4] 黃 柯,袁桂波.筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法的討論與研究[J].山西建筑,2008,34(35):134-135.

[5] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、鋼筋混凝土地基梁板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件[Z].2008.