對高層建筑基礎設計中的幾個問題的探討

【摘要】在高層建筑基礎設計中，考慮到建筑場地的地質狀況、上部結構的類型、施工條件、使用要求，地基、基礎與上部結構有著相互作用的影響。從而導致內力計算的誤差，因此，高層建筑與地基基礎的共同作用問題已越來越受到工程界的重視。高層建筑與地基基礎共同作用，即把高層建筑、基礎和地基三者看成一個整體，并且滿足地基、基礎與上部結構三者在接觸部位的變形協調條件。本文是對“共同作用”的機理和設計方法進行了探討。

【關鍵詞】上部結構；豎向剛度；抗彎剛度；彈性模量

1 前言：

上部結構和地基基礎的相互作用，導致了內力計算的誤差，有時誤差還很大。因此，高層建筑與地基基礎的共同作用問題已越來越受到工程界的重視。高層建筑與地基基礎共同作用以下簡稱“共同作用”，即把高層建筑、基礎和地基三者看成一個整體，并且滿足地基、基礎與上部結構三者在接觸部位的變形協調條件。本文是對“共同作用”的筏基及箱基機理和設計進行了探討。

常規設計方法：把上部結構和基礎作為兩個獨立單元分別考慮，首先把基礎作為上部結構的固定支座，在荷載作用下，求得上部結構的內力和變形以及基礎固定處的反力。此時認為基礎沒有任何變形，然后把該反力作用于基礎上去計算基礎的內力，再把基礎的反力作用于地基上來校核地基的強度和變形。這種常規設計方法人為地把基礎和上部結構分開計算，忽略了基礎的變形和位移，忽略了上部結構對基礎的約束作用，這樣導致的結果：一是基礎彎矩和縱向彎曲過大，基礎設計偏于保守；二是沒有考慮基礎實際存在的差異沉降引起的上部結構的次應力，在某些部位（如底層梁、柱和邊跨梁、柱）低估了上部結構的內力，使這些部位計算結果偏于不安全。

2 上部結構剛度對基礎約束的有限性

上部結構的剛度是指水平剛度、豎向剛度和抗彎剛度的綜合。研究表明：隨著建筑物層數的增加，水平剛度和抗彎剛度只是在最初幾層增加較快，繼而迅速減緩，趨于某一穩定值；而豎向剛度則隨層數增加以某種規律增加，同樣達到某一層時，趨于穩定。所不同的是比前兩者多幾層。可見上部結構剛度對基礎的約束是有限的，不是隨層數的增加而無限增加的。

3 上部結構剛度對基礎“共同作用”的影響

結構剛度與施工條件、方式有著密切的關系，因此應考慮結構剛度的形成方式。其主要有：整個結構的剛度和荷載是一次同時形成的稱為“一次形成”，本層結構剛度與本層的荷載同時形成的稱為“通層形成”，本層結構的剛度對承受本層或后幾層荷載無貢獻的稱為“滯后形成”。三種方式所形成的結構剛度所起的作用有所不同。

4 基礎鋼筋應力計算時，計算單元的變化的關系

4.1 為使高層建筑結構在水平力和豎向荷載作用下，其地基壓應力不致過于集中，高寬比大于4 的高層建筑，基礎底面不宜出現零應力區；高寬比不大于4 的高層建筑，基礎底面與地基之間零應力區面積不應超過基礎底面面積的15％。計算時，質量偏心較大的裙樓與主樓可分開考慮；平板式筏基的板厚可根據受沖切承載力計算確定，平板式筏基的板厚，應能滿足受沖切承載力的要求，計算時應考慮作用在沖切臨界截面重心上的不平衡彎矩所產生的附加剪力。

4.2 箱形基礎高度應滿足結構的承載力和剛度要求，長度的1/20，且不宜小于3m，箱形基礎具有一定的剛度，能適應地基的不均勻沉降，滿足使用功能上的要求，減少不均勻沉降引起的上部結構附加應力。

5 地基模型和土性變化時對“共同作用”的影響

當地基采用線性彈性模型時，隨著結構剛度的增加，基底反力不斷向邊、端部集中，基底邊緣發生過大反力是不可避免的。按此地基反力算得基礎中點彎矩將比實測地基反力大幾倍。當地基采用非線性彈性模型時，地基反力的集中現象就有明顯的改善。當地基采用彈性模型時，即使對于絕對剛性基礎，邊緣地基反力仍比較緩和，與實際情況相接近。由此可見，在“共同作用”分析計算中，選擇合適的地基模型是重要的。對于地基承載力小的軟黏土，筏基邊緣的地基反力由于超過地基的承載力，引起筏基兩端的地基產生塑性變形，使得地基土應力重分布，產生比較均勻平緩的地基反力。

6 相鄰建筑物對“共同作用”的影響

相鄰建筑物對主體建筑“共同作用”結果的影響主要有：（1）與主體建筑同步建造的相鄰建筑物；（2） 在主體建筑建好后建造的相鄰建筑物。如果建筑物已造好，這種影響可以忽略不計，相鄰建筑物是通過對主體建筑產生附加沉降參與“共同作用”的。它是隨與主體建筑的距離遠近和不同的布局，而產生不同的影響。當相鄰建筑與主體建筑平行布置時，影響“共同作用”的效果主要是改變橫向整體傾斜。對整體傾斜的影響非常之大，并顯'' 著改變沉降分布，甚至改變傾斜方向。為此，特別是在小區建設中，必須充分注意相鄰建筑對主體建筑的影響。

7 高層建筑基礎的埋深及偏心距對“共同作用”的影響

7.1 高層建筑由于質心高、荷載重，對基礎底面一般難免有偏心。為減少基礎產生傾斜，應盡量使結構豎向荷載重心與基礎平面形心相重合，當偏心難以避免時，應對其偏心距加以限制。

7.2 我國高層建筑發展是層數越來越多，高度不斷增高，所以，高層建筑基礎應有一定的埋置深度。在確定埋置深度時，應考慮建筑物的高度、體型、地基土質、抗震設防烈度等因素。當建筑物采用巖石地基或采取有效措施時，在滿足承載力、變形、穩定以及上部結構抗傾覆要求的前提下，埋置深度的限值可適當放松。

8 設計建議

8.1 地基強度校核。在地基土比較均勻的條件下，筏形基礎的基礎平面形心宜與上部結構豎向永久荷載重心重合；高層建筑基礎的混凝土強度等級不宜低于C30。如建設場地具有較穩定的地下水位，高層建筑筏形基礎的地基應進行強度校核。

8.2 筏形基礎和箱形基礎的沉降計算。箱形基礎的沉降可以用規范的分層總和法計算；建議采用根據高層建筑筏形基礎實測變形特性，來計算筏形的沉降量。筏形基礎的平面尺寸應根據地基土的承載力、上部結構的布置及其荷載的分布等因素確定；當地基比較復雜、上部結構剛度較差，或柱荷載及柱間距變化較大時，筏基內力宜按彈性地基板方法進行分析。

8.3 荷載重心與底板形心的關系。上部結構傳采的荷載重心應盡量與箱基基礎底板形心重合，這是為了防止發生不利于使用的橫向整體傾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基基礎底板懸挑或箱基基礎懸挑的方法來解決。底板懸挑長度與底板厚度之比不宜大于4。

8.4 高層框架結構箱基基底板鋼筋應力的計算。高層框架結構箱基底板鋼筋應力計算除采用規范方法外，建議采用“共同作用”整體計算。為了簡化起見，計算單元可采用箱基加上1～3 層上部結構來計算底板鋼筋應力。這樣計算的整體彎曲箱基底板鋼筋應力是符合實際的。當地基壓縮層深度范圍內的土層在豎向和水平方向皆較均勻，且上部結構為平立面布置較規則的框架、剪力墻、框架-剪力墻結構時，箱形基礎的頂、底板可僅考慮局部彎曲計算。

9 結束語

高層建筑箱基及筏形基礎與上部結構和地基基礎的相互作用問題，導致內力計算的誤差，有時誤差還很大。常規設計方法人為地把基礎和上部結構分開計算，忽略了基礎的變形和位移及上部結構對基礎的約束作用，導致基礎彎矩和縱向彎曲過大，基礎設計偏于保守。所以，應考慮基礎實際存在的差異沉降引起的上部結構的次應力和上部結構的內力，否則這些部位計算結果偏于不安全。會降低建筑結構的承載力、剛度、穩定和整體性、耐久性，甚至還會導致構筑物倒塌的重大質量事故。因此，正確分析原因是十分必要的。以上是對高層建筑箱基及筏形基礎時與上部結構和地基基礎的相互作用存在問題的一個小結，作為引玉之磚，呈現給前輩和同行，以求指正。