高層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計之我見

【摘 要】伴隨著我國經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展，各個城市中的高層建筑也在逐漸增加，隨著高層建筑的建筑高度的不斷增加，建筑類型與功能愈來愈復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系更加多樣化，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越成為建筑結(jié)構(gòu)工程師的重要工作內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】案例；基礎(chǔ)設(shè)計；結(jié)構(gòu)分析與計算

1、工程概況

筆者翻閱了大量的資料，以某工程為例，總建筑面積36126m2，其主樓地下1層，地上17層，建筑總高度59.500m，其裙房地下1層，地上3層，建筑總高度14.700m，室內(nèi)外高差均為0.300m。該建筑地下1層，層高5.6m；均為地下車庫、人防及設(shè)備用房；地上1層～3層為商業(yè)用房，6層～17層為公寓用房，層高3.1m，商業(yè)用房層高4.8m，主樓平面為32.6m×42.2m，主樓與裙樓之間采用沉降縫分開。主樓結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15s，設(shè)計地震分組為第二組，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。基本風壓采用100年重現(xiàn)期的風壓值S=0.45kN/m2，地面粗糙度類別為C類，建筑耐火等級為一級。

2、地基及基礎(chǔ)設(shè)計

2.1程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，地層深度6.0m以上為Q4沉積的粉土及粉質(zhì)黏土層，6.0m～11.0m為Q42靜水相或緩流水相沉積的粉土及粉質(zhì)黏土層，11.0m～17.0m為Q；沉積的粉細砂及粉土層，17.0m～53.0m為Q3沉積的粉質(zhì)黏土層，53.0m～80.0m為Q2沉積的黏土層。地下水位埋深約2.5m～.5m，水位年變化幅度為0.5m～1.0m，地基抗浮設(shè)計水位為1.2m。地下水對混凝土沒有腐蝕性，但對干濕交替條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性。場地地基土不具液化性。場地土類型為中硬場地土，建筑場地類別為Ⅱ類。建筑場地屬抗震有利地段。根據(jù)地質(zhì)勘察報告建議，地基采用鉆孔灌注樁或靜壓預(yù)制管樁及高壓噴射注漿法處理地基。

2.2地基及基礎(chǔ)設(shè)計

經(jīng)過多方案技術(shù)分析比較，我們建議建設(shè)單位采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法進行地基處理，并采用平板式筏形基礎(chǔ)。隨后地質(zhì)勘察單位又補充了相應(yīng)的巖土勘察資料，提供了CFG樁復(fù)合地基處理設(shè)計承載力及變形參數(shù)。水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法適用于處理黏性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。本工程主樓標準組合下基底平均反力為460kPa，準永久組合下基底平均反力為410kPa。地基持力層為第⑤層粉細砂，地基承載力特征值為250kPa。設(shè)計選取CFG樁樁徑400mm，CFG樁端持力層為第⑨層粉質(zhì)黏土，地基承載力特征值為320kPa，該層下無軟弱下臥層，有效樁長16m，樁采用梅花形布置，樁間距1400mm×1400mm，樁身立方體抗壓強度平均值大于18MPa。施工后經(jīng)有資質(zhì)的檢測單位檢測，處理后的復(fù)合地基承載力特征值為540kPa（相應(yīng)的單樁承載力特征值為630kN），復(fù)合地基平均沉降量小于40mm，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

3、結(jié)構(gòu)分析與計算

3.1結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇

目前比較通用的計算軟件有：SATWE、TAT、SAP等，但是，由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計算結(jié)果有或大或小的不同。所以，在進行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件，并從不同軟件相差較大的計算結(jié)果中，判斷哪個是合理的，這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中首要的工作。如果選擇了不合適的計算軟件，不但會浪費大量的時間和精力，而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。

3.2是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響

該部分內(nèi)容實際上在新老規(guī)范中都有提及，只是，在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)。

3.3振型數(shù)目是否足夠

在新規(guī)范中增加了一個有效質(zhì)量系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。由于在舊規(guī)范設(shè)計中，并未提出有效質(zhì)量系數(shù)的概念，或即使有該概念，該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求，因此，在計算分析階段必須對計算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進行判斷，并決定是否要調(diào)整計算振型數(shù)的取值。

3.4多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計算

一段時間以來，大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進行計算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使有效質(zhì)量系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然較大，從而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全隱患。

3.5非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算與設(shè)計

在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求而非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對這構(gòu)件尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進行設(shè)計時，由于高層建筑的地震作用和風荷載均較大，因此，必須嚴格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算處理措施進行設(shè)計。

4、地基結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1基礎(chǔ)類型的選擇和設(shè)計

1）主體結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用剛性條形基礎(chǔ)，例如灰土條形基礎(chǔ)、Cl5素混凝土條形基礎(chǔ)、毛石混凝土條形基礎(chǔ)和四合土條形基礎(chǔ)等。在基礎(chǔ)寬度大于215厘米的時候，應(yīng)采用鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)，也就是柔性基礎(chǔ)。當出現(xiàn)多層框架結(jié)構(gòu)，無地下室、地基較差、荷載過大的情況時，為了增強整體性需要減少不均勻沉降，這時需采用十字交叉梁條形基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上還不能滿足地基基礎(chǔ)強度和變形要求，而使用樁基和人工地基也不合適，就只能采用筏板基礎(chǔ)（分為有梁和無梁兩種）。另外框架結(jié)構(gòu)、有地下室且上部結(jié)構(gòu)對不均勻沉降要求嚴格、防水要求高、柱網(wǎng)要求均勻，便可采用箱型基礎(chǔ)，柱網(wǎng)不均勻時，就采用筏板基礎(chǔ)。

2）有地下室，無防水要求，柱網(wǎng)、荷載較均勻，地基較好的條件下，應(yīng)選用獨立柱基，抗震設(shè)防區(qū)加柱基拉梁，或使用鋼筋混凝土交叉條形基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)。與之相反，在無地下室，地基較差，荷載較大的條件下，柱下可選用交叉條形基礎(chǔ)并與墻下條基連結(jié)在一起，以加強整體性，若還不能滿足地基承載力或變形要求，可采用筏板基礎(chǔ)。另外剪力墻結(jié)構(gòu)不論無地下室或有地下室，無防水要求，地基較好，都宜選用交叉條形基礎(chǔ)。

3）有防水要求時，可選用筏板基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)。高層建筑一般都設(shè)有地下室，可采用筏板基礎(chǔ)。如果地下室設(shè)置有均勻的鋼筋混凝土隔墻時，采用箱形基礎(chǔ)。當?shù)鼗^差，為滿足地基強度和沉降要求，可采用樁基或人工處理地基。無論采用何種基礎(chǔ)都要處理好基礎(chǔ)底板與地下室外墻的連結(jié)節(jié)點構(gòu)造。框剪結(jié)構(gòu)無地下室、地基較好、荷載較均勻，可選用單獨柱基、墻下條基，抗震設(shè)防地區(qū)柱基下設(shè)拉梁并與墻下條基連結(jié)在一起。

4.2大型基礎(chǔ)設(shè)計中的樁基礎(chǔ)和后澆帶的設(shè)計

當天然地基或人工地基的地基承載力因變形不能滿足設(shè)計要求，或者不能滿足經(jīng)濟采用要求時，可采用樁基礎(chǔ)。以下列述樁平面的布置原則：①樁頂受荷均勻，上部結(jié)構(gòu)的荷載重心與樁的重心相重合，群樁在承受水平力和彎矩方向有較大的抵抗矩。②縱橫墻交叉處都應(yīng)布樁，橫墻較多的多層建筑在橫墻兩側(cè)的縱墻上布樁，門洞口下面不宜布樁。③同一結(jié)構(gòu)單元不應(yīng)同時采用摩擦樁和端承樁。④大直徑樁宜采用一柱一樁：筒體采用群樁時，在滿足樁的最小中心距要求的前提下，樁宜盡量布置在筒體以內(nèi)或不超出筒體外緣一倍板厚范圍之內(nèi)。⑤在伸縮縫或防震縫處可采用兩柱共用同一承臺的布樁形式。⑥剪力墻下的布樁量要考慮剪力墻兩端應(yīng)力集中的影響，而剪力墻中和軸附近的樁可按受力均勻布置。

5、結(jié)語

綜上所述，高層建筑基礎(chǔ)承擔著將高層建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞給地基的重要作用，在設(shè)計時，應(yīng)將高層建筑結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基協(xié)同考慮，以實現(xiàn)基礎(chǔ)和地基的共同作用。