簡析高層建筑結構筏板基礎選型及設計

摘要：基礎設計對于結構工程師來說是最難的問題之一。筏板基礎作為常見的基礎形式之一，主要應用于高層建筑，適用于地基土質差，或建筑物要求基礎有足夠的剛度來調節不均勻沉降。隨著我國經濟建設形勢及科技的迅猛發展，高層建筑的建設呈現出數量大，層數多，結構體系新穎，計算理論和施工方法不斷更新的趨勢。高層建筑的受力復雜，對基礎的強度、剛度和穩定性的要求也更加嚴格。本文闡述了筏板基礎埋深及承載力的確定、筏板基礎的結構設計，對今后類似項目的基礎設計提供了一定思路和方法，具有一定的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：高層建筑；建筑結構；筏板；基礎設計

高層建筑的水平荷載和垂直荷載數值都比較大，伴隨著建筑層數的增加，其水平荷載產生的剪力大大增大，導致引起的傾覆力也成倍增長，這樣就導致高層建筑的受力更為復雜。要求地基能夠提供更高的水平承載力和豎直方承載力，同時將沉降量及傾斜度控制在合理范圍內，那么就要選擇與其要求相對應的理論方法和基礎形式，對高層建筑結構的基礎設計就尤為重要，在整個建筑體的結構中起著舉足輕重的作用，其中核心是對結構中筏板基礎的設計。筏板基礎是指當建筑地基比較軟弱、承載力低、上部結構的負荷承載量大且十字型基礎不能提供足夠底面積時，可以采取的一種建筑結構基礎設計方式，對筏板基礎有效合理的設計能夠為提高整個建筑體結構的安全性提供基礎保證，同時也是關于到建筑整體質量的基礎。

1、工程地質概況

本工程場地內基巖埋深較淺，其中強風化巖埋深基本在5～6m左右，承載力標準值，kPa≥500kPa，地下室底板面相對標高為4.5m，因此如采用厚板片筏基礎，底板將基本落在強風化巖上，可以利用強風化巖作為筏板持力層，小部分落在殘積土層的可用C10混凝土換填。筏板基礎的整體剛度好，可以調整基礎的不均勻沉降，施工簡便，能有效縮短工期，且本工程柱荷載相差不太大，也有利于減少基礎的不均勻沉降，并且降低工程造價。

2、高層建筑基礎選型

在整個結構設計中，高層建筑基礎選型是一個最重要組成部分，直接關系到工程造價、施工難度和工期，因此應認真研究場地巖土性質和上部結構特點，通過綜合技術經濟比較確定。高層建筑的基礎選型應因地制宜，除基礎應滿足現行規范允許的沉降量和沉降差的限值外，整體結構應符合規范對強度、剛度和延性的要求，選用樁基或筏基都不是絕對的，而安全可靠、經濟合理才是基礎選型的標準。高層建筑的基礎除直接建于堅硬的巖石上外，一般有如下幾種類型：

2.1十字交叉條形基礎

在柱網下縱、橫兩個方向上均設置鋼筋混凝土條形基礎，使上部結構在縱橫兩個方向均有聯系。這種基礎適宜于地基較弱，土的壓縮性或柱荷載的分布在兩個方向都很不均勻的情況。設置十字交叉基礎后，可以進一步擴大基礎的底面積，同時由于這種基礎具有空間剛度，可以調整結構的不均勻沉降。

2.2筏板基礎

當地基很軟弱，承載能力低，而上部結構傳來的荷載又很大，以致于十字

條形基礎還不能提供足夠的底面積時，可采用鋼筋混凝土筏板基礎。它可做成

平板式和梁板式兩種。

2.3樁基

高層建筑結構作用在基礎上的荷載大，基礎埋置深，一般設置地下室并常常有作為人防工程或地下停車庫等要求，因此，基礎工程的材料用量多、施工復雜且施工周期長，其技術經濟指標對建筑總造價有很大影響。高層建筑的基礎除極少數可直接建于堅硬的巖石上以外，一般采用鋼筋混凝土片筏式基礎、箱形基礎或樁基礎，而樁基礎是高層建筑最常用的基礎形式。樁基可采用鋼筋混凝土預制樁、灌注樁或鋼樁。樁基選擇和承臺設計應根據上部結構類型、荷載大小、樁穿越的土層、樁端持力層土類、地下水位、施工條件和經驗、制樁材料供應條件等因素綜合考慮，做到技術先進、經濟合理，確保工程質量。

2.4箱形基礎

當地基很軟且不均勻，采用筏板基礎剛度小，難于滿足要求時，可采用箱

形基礎。該基礎是一種具有很大底面積、埋深和整體剛度的基礎，與一般基礎

相比，有很大的剛度，能有效地擴散上部結構傳給地基的荷載，同時又能較好

地抵抗由于局部地層土質不均勻或受力不均勻所引起的地基不均勻變形，減少

沉降對上部結構的影響。與地下室結合，充分利用建筑物的地下空間。但是由

于它要耗費較多的鋼筋和混凝土，同時還要考慮解決大面積開挖所帶來的施工

難度，所以一般要根據建筑物的具體要求，通過與其它地基基礎類型進行技術、

經濟比較才能確定是否適用。地基基礎方案的選擇是受上部結構類型、使用荷載大小、施工設備及技術力量等多種因素制約的。對每一個具體工程，應在滿足上部結構要求的條件下，結合工程地質、工程所具備的施工力量以及可能提供的建筑材料等有關情況，綜合考慮，通過經濟技術比較，確定最佳方案。

3、高層建筑結構筏板基礎的優點

筏板基礎作為典型淺基礎的形式，主要用來承擔上部建筑物的荷載。但是因為高層建筑的荷載通常情況下都相對較大，不少工程在設計施工的過程中一般都很少使用筏板基礎，而改用樁筏基礎或者是樁基礎等基礎的形式。但是在部分情況下，經過細致的研究，選擇筏板基礎來代替樁筏基礎或者是樁基礎，將會具備如下的優點：

①筏板基礎通常情況下具有較大的整體剛度，可以在一定程度上對地基的不均勻沉降進行調節。

②殘積層較厚時，樁基礎投資相對較大，而且施工時間也很長。

③樁基礎在施工過程中對于周圍環境的影響相對較大。

④樁基礎通常情況下是需要檢測的，檢測不合格還須進行必要的加固。

⑤筏板基礎的安全系數通常是大于4的，而樁基礎的安全系數通常是2。

⑥筏板可以應用到地下室結構中。

⑦筏板基礎的慣性矩通常是較大的，在風荷載等橫向荷載的作用下，地基應力的增量相對較小。

⑧筏板基礎的固定點位于基礎板位置，而樁基礎的固定點位于承臺下方，所以，地震引起的水平力對于筏板基礎的影響相對較小。

⑨樁基礎在地震過程中會產生相互激擾，導致不同步問題的產生，容易形成相互影響而造成破壞。

⑩筏板基礎的抗震剛度相比樁基礎要大。

4、高層建筑結構筏板基礎計算模型的選取

根據彈性厚板的原理及有限元分析的方法，利用有限元軟件SAP2000來建立筏板基礎的三維有限元模型，如圖所示，筏板按照厚板理論，采用三維四節點板單元。采用厚板方程進行計算，考慮橫向剪切變形的影響。總的來說，地基土是存在非線性性質的，但在工作荷載下，地基土基本上處于彈性范圍內，土體的非線性性質表現不明顯，土體內的塑性范圍很小。因此，忽略塑性變形所導致的誤差也很小。為了簡化計算，本文用線彈性模型來模擬地基土和筏板在工作荷載下的性狀。

筏板基礎計算模型圖

5、高層建筑結構筏板基礎設計思路

5.1 筏板基礎埋深與承載力的確定

城市中的高層建筑比較密集，因而必須設置水池、設備用房、人防工程以及車庫等地下室，并根據其功能的具體要求來確定建筑物地下室的層數和層高，這就相應的確定了基礎需要的埋深，之后根據基礎的埋深以及建筑場地土層的特點來選擇基礎的類型，分析是否可以使用天然筏板基礎；因為地區的地下水位較高以及地下室需要一定的埋置深度，天然筏板基礎又是補償性的基礎，所以在確定地基時可以有兩種辦法，一是根據地基承載力的設計值來確定。這種方式根據地基承載力的標準值按相關規范根據深度與寬度的修正，從而得到承載力特征值，并采用標慣試驗以及壓板試驗等和室內土工試驗相結合的判斷方法來對巖土的特點進行確定。

5.2 筏板基礎的沉降

地基的驗算主要包括承載力與變形兩方面的內容，目前對于地基變形的精確計算相對較為困難，選擇各向同性均質的線性變形體計算模型，使用分層總和法求得的自由沉降量通常與實測的地基變形量存在差異。這主要是由下列因素決定：

5.2.1因為理論假定條件和實際狀況是不同的。

5.2.2由于計算公式中選擇的計算參數、試驗條件以及實際條件的不同所導致的。

5.2.3由于公式計算出的建筑物沉降量僅僅和基礎的尺寸相關，而實測的沉降量已經受到基礎剛度的影響。所以，對高層建筑的地基變形進行計算時，因為施工土層較厚通常會引起地基的回彈變形，從而使地基形成微量的隆起，地基回彈再壓縮的變形是不能忽略的。在實際施工的過程中，回彈再壓縮模量的測定與計算相對較為困難，根據實際經驗，回彈量大概是公式計算變形量的10～30%之間，高層建筑實際沉降觀測的結果將是該計算值的1.1～1.3倍之間。

5.3 筏板基礎的結構設計

筏板基礎的主要結構形式有平板式筏基和肋梁式筏基，包括等厚度或變厚度底板和縱橫向肋梁。一般情況下宜將基礎肋梁置于底板上面，如果地基不均勻或有使用要求時，可將肋梁置于板下，框架柱位于肋梁交點處。在具體筏基設計時應著重考慮如下問題：

5.3.1在設計時應當盡量讓筏板基礎的形心語上部結構的荷載重心重合，進而確定底板的尺寸和形狀，若必須將底板設置成懸臂板時，可以綜合考慮各方面因素影響，盡量減少由于基礎底部的反力值過大而導致基礎承受彎矩作用的影響；

5.3.2筏板的厚度要滿足相應的抗滲要求，主要是由抗剪強度以及抗沖切的強度進行確定。一般來說，板厚應該要在400mm以上，而對于部分軸力比較大的墻、柱，筏板的厚度應該要適當加厚。尤其是針對角部和邊緣部分的墻體，以及不規則的筏板沖面，應該要按照實際的沖切面來對筏板的厚度進行計算。

5.3.3無肋梁筏板基礎的配筋可近似按無梁樓蓋設柱上板帶和跨中板帶（倒樓蓋法）的計算方法進行，精確計算可用有限元法；對肋梁式筏基，當肋梁高度比板厚大得較多時，可分別計算底板和肋梁的配筋，即底板以肋梁為固定支座按雙向板計算跨中和支座彎矩，并適當調整板跨中和支座的配筋。

5.3.4底板的構造配筋：對于筏板基礎的受力鋼筋應當滿足0.15%的最小配筋率要求，對于懸挑板應在其角處安放附加鋼筋；在設計設計時，設計人員往往忽視規范對于構造筋的要求，只是注重結構鋼筋的配置。

5.4梁板式筏板基礎構造要求

5.4.1梁板式筏板基礎的底板和基礎梁除滿足計算要求外，縱橫方向都支座鋼筋尚有1/2～1/3貫通全跨，其配筋率不應小于0.15，跨中鋼筋應按實際配筋全部貫通，

5.4.2梁板式筏板基礎板厚應滿足最小構造要求，對于12層以上都高層建筑，筏板厚度不應小于400，底板厚度與最大雙向板格都短邊凈跨之比尚不應小于1/14，基礎底板計算應考慮經濟性要求，筏板厚度太薄則計算配筋偏大，雖然混凝土用量少，但鋼筋用量偏大，可能不經濟，相反，筏板厚度偏厚，以致構造配筋比計算配筋還大，使混凝土和鋼筋用量都會增加，同樣不經濟，應考慮實際工程中筏板跨度選取合適的板厚。

5.4.3梁板式筏基當筏板混凝土強度小于柱混凝土強度時，尚應考慮局部承壓承載力驗算，因基礎結構混凝土體積一般較大，為防止混凝土凝結硬化過程中水化熱引起溫度效應及混凝土收縮對結構構件的不利影響，基礎結構一般都采用強度較低都混凝土，因此，柱混凝土強度等級一般都原高于筏板都混凝土強度等級，因此應按《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 驗算局部受壓承載力。

6、結語

高層建筑基礎選型是整個結構設計中的一個重要組成部分，直接關系到工程造價、施工難度和工期，其設計的合理程度關系到整個建筑物建設的安全和施工工期進度。筏板基礎設計作為基礎設計中重要核心部分關系到建筑主體基礎部分建設的安全質量，所以要加強對高層建筑筏板基礎的設計，在具體設計中要考慮到所涉及各方面的細節問題，首先確定筏板基礎的深埋和承載力，其次做好對天然筏板基礎的變形量計算，然后做到注重對筏板基礎結構的設計，最后做好筏板基礎中抗浮錨桿的設置，來做到對筏板基礎設計的合理性、科學性、準確性，從而保證整個建筑建設的質量和安全。

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