關于建筑結構設計中的基礎設計探討

摘要：基礎設計和施工對建筑本身至關重要.只有選擇合理的基礎形式及設計方法才能夠保證建筑結構安全并且降低工程造價。文章通過對建筑結構設計中基礎設計進行探討，具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：建筑；結構設計；基礎設計

1、建筑結構中基礎設計概述

基礎設計是在考慮構造措施的前提下，根據工程地質勘察報告、上部結構類型及上部結構傳來的荷載效應和當地的施工技術水平和材料供應情況確定基礎的形式以及材料的強度等級，進行基礎底面積的確定及地基承載力驗算，完成基礎的內力計算和配筋計算。

建筑的基礎一般采用深樁基礎，受力可以是樁獨自受力或者樁土共同受力。樁基礎是一種比較古老的基礎形式，其力學原理正確，通過樁可以充分發揮深部土層的承載能力，同時又具有施工相對簡單的特點。也因此樁基不僅能延續至今，而且結合現代的施工和材料技術還獲得了更進一步的發展，成為目前基礎工程中普遍采用的一種重要的基礎形式。

為了滿足各種結構物的要求，適應各種不同地質條件和施工方法，在工程實踐中往往采用各種不同的樁和樁基礎。一般比較常用的分類方法是根據受力條件的不同，將樁分為端承樁和摩擦樁。端承樁一般會穿過較軟弱土層，樁底支承在巖層或硬土層等非壓縮性土層上，沉降量很小，樁側摩阻力可以忽略不計，全部荷載由樁底巖石層抵抗力承受。摩擦樁穿過并支承在各種壓縮性土層中，一般樁基沉降量比較大，主要依靠樁側摩阻力承擔豎向荷載，樁底土層也會支承部分豎向荷載。

樁基礎的受力方式有兩種，可以是獨自受力，也可以是樁土共同受力。不過不管樁基礎是獨自受力還是樁土共同受力，其作用最主要也是將上部結構的荷載傳遞給地基。樁基礎另外一個作用是可以比較好的控制建筑物的沉降量。天然地基往往不可能非常均勻，在建筑物的不同部位某層土層的厚度一般不可能完全相同，甚至還會出現在局部部位土層缺失的情況，這些都會造成建筑物的不均勻沉降。相比天然地基，樁基礎把荷載傳遞給不可壓縮或低壓縮性的硬土層或巖石層，建筑物的沉降量就會容易控制。

2、建筑結構基礎類型的選擇

建筑基礎的選型應根據上部結構、工程地質、抗震設防要求、施工條件、周圍建筑物和環境條件等因素綜合考慮確定，應選用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調節不均勻沉降的基礎形式。

天然地基上的筏形基礎比較經濟，宜優先采用，必要時也可以采用箱型基礎；當地質條件好、荷載較小且能滿足地基承載力和變形的要求時，也可以采用交叉梁基礎或其他基礎形式；當地基承載力和變形不能滿足設計要求時，可采用樁基或符合地基的形式。

基礎是否發生傾斜是高層建筑是否安全的關鍵因素。高層建筑由于質心高、荷載大，對基礎底面一般難免有偏心，故在沉降過程中建筑物總重量對基礎底面形心將產生新的傾覆力矩增量，而此傾覆力矩增量又產生新的傾斜增量，傾斜可能隨之增長，直至地基變形穩定為止。因此，為減少基礎產生傾斜，應盡量使結構豎向荷載中心與基礎平面形心相結合，當偏心難以避免時，應對其偏心距加以限制。《高層規程》規定，在地基比較均勻的條件下，箱型基礎及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。不能重合時，偏心距e宜符合e≤0.1W/A式中：e為基底平面形心與上部結構在永久荷載與樓面可變荷載準永久值組合下的重心的偏心距（m）；W為與偏心方向一致的基礎底面邊緣抵抗矩（m3）；A為基礎底面的面積（m2）。

對低壓縮地基或端承樁基的基礎，可適當放寬偏心距的限制。

3、建筑結構基礎設計

3.1房屋基礎和上部結構設計基本要求

房屋基礎結構和上部結構是房屋結構設計的主要內容。結構設計方法采用概率極限狀態的設計理論。房屋上部結構是在結構自身重力恒載、人、家具、設備等荷載的豎向靜力作用和風壓力、地震力的水平荷載的動力作用下，滿足結構應有的強度、剛度、穩定性問題。房屋靜載作用一般由上向下傳遞，地震作用則是通過基礎傳給上部結構。為適應上部的機構和下部的地基條件，基礎結構建筑物地下的部分對建筑整體具有十分重要的影響。房屋建筑結構的設計是一項全面、系統性的工作，我們在結構設計的過程中要保證遵循四項基本的原則：整體上抓大放小、設置多道防線、剛柔相濟協調、打通重要關節。按照這樣的原則進行結構設計，對在結構設計過程中發現的問題及時的反饋和研究，不斷提高設計人員自身的結構設計水平。設計的結構在滿足建筑物安全的同時，符合實際使用的要求。

由于建筑層數多，上部結構荷載很大，使其基礎具有埋置深度大、材料用量多、施工周期長、工程造價高等特點。為此，建筑設計時應滿足要求概括起來有如下幾個方面：

（1）地下結構滿足建筑防水的要求；

（2）滿足天然地基或復合地基承載力及樁基承載力的要求；

（3）基礎的總沉降量和差異沉降量應滿足規范規定的允許值；

（4）應綜合考慮經濟效益，不僅考慮基礎本身的用料和造價，還應考慮土方、降水、施工條件和工期等因素。

3.2地基條件對基礎受力狀況的影響

基礎受力狀況還取決于地基土的壓縮性及其分布的均勻性。當地基土不可壓縮時，基礎結構不僅不產生整體彎曲，局部彎曲亦很小；上部結構也不會因不均勻沉降產生次應力。實踐中最常遇到的情況卻是地基土有一定的可壓縮性，且分布不均，這樣，基礎彎矩分布就截然不同。基礎與地基界面處往往顯示出摩擦特征。由于土的強度有限，形成的摩擦力也有限，不會超過土的抗剪強度。孔隙水壓力的變化，可能改變壓縮過程中摩擦力的大小與分布。此外，外荷載的分布和性質、基礎的相對柔度以及土的蠕變等涉及時間變化的效應等都會影響到界面條件。因此，應從完全光滑一直到完全粘著這兩種極端情況之間來慎重估計界面摩擦的影響。

3.3上部結構與基礎和地基共同作用的概念及分析方法

上部結構與地基和基礎三者是彼此不可分離的整體，每一部分的工作性狀都是三者共同作用的結果。共同作用分析，就是把上部結構、基礎和地基看成是一個彼此協調工作的整體，在連接點和接觸點上滿足變形協調的條件下求解整個系統的變形與內力。在共同作用分析中，上部結構和基礎通常是由梁、板組成，因此可以采用有限單元法、有限條法、有限差分法或解析方法建立上部結構和基礎的剛度矩陣，并利用變形協調條件與地基的剛度矩陣耦合起來。地基首先需確定采用何種地基模型：線彈性地基模型，非線彈性地基模型還是彈塑地基模型。然后建立地基的剛度矩陣。在共同作用分析中，可以根據實測結果把基礎和上部結構的實際剛度進行共同作用分析，并考慮施工過程的影響，把結構荷載和剛度形成情況分別考慮來進行共同作用分析。

4、建筑在基礎設計中應考慮的主要因素

建筑的基礎設計是建筑結構設計的重要內容，它對保證建筑物的正常使用和安全至關重要。因此，基礎設計時必須做到以下五個方面的要求。

4.1基底附加壓力不超過地基承載力或樁基承載力；

4.2基礎總沉降量和差異沉降量控制在允許限值以內；

4.3適當考慮樁基的運用；

4.4預先估計到基礎在施工過程中對毗鄰房屋可能造成的影響；

4.5應當考慮綜合經濟效果，不僅考慮基礎本身的用料和造價，還應考慮使用、施工條件和施工工期等因素對經濟效果的影響。

5、結語

隨著國民經濟的不斷發展，我國建筑業也得到了快速發展，取得了巨大的成就，但同時也存在一些問題。實際設計工作中常常發生在結構設計的種種概念和方法上的差錯，這些差錯的產生，有的是由于設計人員沒有對一般建筑尤其是多層建筑設計引起高度重視，盲目參照或套用其他的設計的結果；有的則是由于設計人員對設計規范和設計方法缺乏理解；還有的是由于設計者的力學概念模糊，不能建立正確的計算模式，對結構電算結果也缺乏判斷正確與否的經驗。