高層建筑地基基礎共同作用設計

宿志勇

廈門經緯建筑設計股份有限公司（361000）

高層建筑地基基礎共同作用設計

宿志勇

廈門經緯建筑設計股份有限公司（361000）

隨著我國經濟的不斷發展，尤其是在城市化進程的有效帶動下，高層建筑作為解決當今建筑用地緊張以及人口不斷增長之間矛盾的有效方法，被建筑企業所廣泛關注。文章分析了高層建筑地基基礎共同作用設計，以期我國建筑業可以得到更好的發展。

高層建筑；地基基礎；共同作用

0 引言

地基基礎作為建筑物的基礎項目，不僅關系到整棟建筑物的質量安全，更關系到整棟建筑物在日后應用中的穩定性以及長久性，并對整體造價有較大影響。因此，為了保證建筑物安全可靠、經濟實用，對高層建筑地基基礎共同作用設計的探討刻不容緩。

1 高層建筑地基基礎共同作用研究意義

在高層建筑結構中上部結構的剛度較大，而高層建筑的上部結構同建筑基礎、地基共同構成一整套建筑結構體系。受傳統建筑條件以及計算形式制約的消極影響，在高層建筑基礎結構進行分析設計時，通常不會將地基基礎結構、上部結構等部分對高層建筑整體的共同作用考慮進去，因此在傳統建筑中通常會因為設計規劃不合理而出現影響建筑質量的現象。因為，傳統的高層建筑基礎整體設計方案存在需要優化的地方，所以跟隨時代發展腳步與施工技術不斷的創新與完善，高層建筑地基應在分析豐富的實踐經驗基礎上，在對高層建筑地基進行設計規劃時，將建筑基礎、地基以及高層建筑上部結構均考慮在內，并利用先進的計算機技術對高層建筑與地基基礎建筑進行共同建設的可行性進行分析與運算，從而結合豐富的建筑經驗與工程建設規劃的目標，對載荷和結構剛度進行合理規劃。

在對高層建筑地基基礎共同作用進行研究時，應首先對各種地基柔度矩陣利用上部結構力學法進行建模,而后利用求逆形式對剛度矩陣需求進行運算,最后利用有限元法、有限差分法等形式，對構成基礎以及上部結構的主要材料即板和量進行科學運算。此外，為了使運算更加科學合理，應在計算運行后將地基剛度矩陣同變形協調條件進行有機耦合，促使高層建筑地基共同作用分析具有正確指導意義。

2 高層建筑地基基礎共同作用機理

2.1 地基模型的選擇

當今高層建筑中地基模型的選擇和分析可從三方面著手：

2.1.1 線性彈性地基模型

在高程建筑地基基礎中選擇線性彈性地基模型可有效提高結構剛度，促使基礎結構端部、邊緣出現基地反力較為集中的現象，導致基地邊緣將出現較大反力，而結合地基邊緣反力就可將點彎矩通過合理方式科學計算出來，然而卻存在同實際測量存在較大的點彎矩和基地反力差距的現象。

2.1.2 非線性彈性地基模型

利用非線性彈性地基模型，可有效轉變基底反力較為集中的現象，促使高層建筑地基基礎共同作用機理更加科學合理，在符合工程建筑需求的同時，相較于線性彈性地基模型可有效提高工程質量。

2.1.3 彈塑性地基模型

在高層建筑地基基礎共同作用分析中采用彈塑性地基模型，將有效達到高層地基基礎得到充分緩和基層邊緣反力作用，從而與高層建筑在實際承建過程中實際測量結果較為相符。由此可見，高層建筑作為一項較為復雜的建筑工程,不僅涉及的建筑項目較為繁復，在進行地基模型選擇時，也應秉持符合工程客觀要求的基本原則，地基模型進行科學、高效且同實際相符的選擇。若工程中存在相同的荷載、基礎以及上部結構，就會造成基礎內力、縱向彎曲情況相對較為突出的現象，導致對高層建筑上部結構內力影響嚴重，如若高層建筑內載荷、基礎以及上部結構存在較大差別，則不會出現基礎內力受結構剛度影響的現象。由此可知，對于高層建筑地基基礎共同作用下地基模型的選擇研究，針對軟硬地基的條件研究更有利。

在對高層建筑地基基礎進行地基模型選擇時，若選擇的是線性彈性地基模型，則會出現建筑層數越高，建筑兩側的反力就會越集中的現象，而這種反力在上部結構柱載荷中反應更為明顯，柱荷載反力向兩邊集中現象更為明顯，而反力則隨著層數的變化而不斷變化,在一般情況下層建筑達到15層時，則會產生載荷值上升40%的現象，這種載荷數值上升的情況，就是次應力上升的過程，為了使次應力得到有效控制,且不影響建筑工程整體質量，高層建筑地基模型設計者應對此做充分考慮。由于建筑兩端柱荷載不斷集中過程中生成的效用，通常情況下與建筑地基反應力存在較大差異，且跟隨有限的結構剛度將呈現逐漸減弱現象。因此，在進行建筑地基模型選擇時應尤為重視底層基層柱產生的次應力，以及邊墻共同作用的影響。

2.2 模型參數設定

在對高層建筑與地基基礎共同作用機理進行模型參數設定時，可從兩方面進行分析：一方面是結構剛度對共同作用的影響。由于高層建筑受客觀條件以及施工目標等客觀條件的影響，結構剛度對共同作用的影響，將對施工速度以及施工方法帶來一些改變，尤其在結構剛度的設計分析時，應充分結合共同作用的影響。當前高層建筑中的結構剛度存在形式有三即逐層形成結構剛度、“滯后形成”的剛度結構以及一次性同時形成剛度，而介于結構剛度形成方式不同，也會產生不同的建筑效果。另一方面是結構剛度對基礎縱向彎曲的影響。結構剛度對基礎縱向彎曲程度的積極影響較為明顯，因此在進行模型參數設定時對基礎縱向彎曲程度等因素進行全面分析，使得參數設定符合工程建設結果。

3 工程實例分析

筆者以位于福建廈門某區的高層建筑工程建設為實例，對常規工程設計方法以及共同作用方法進行分析，從而為高層建筑地基基礎共同作用設計提供有效可性的方式方法。

福建廈門某區高層建筑結構分為地上28層以及地下2層，建筑總高為102 m，占地面積約為3.8萬m2，并以普通鋼板結構為工程結構體系。結合工程建筑目標以及施工實際需求、MINDLIN有限元原理對該工程在建設規劃中的物理指標進行計算，主要可分為兩種形式進行分析：一是常規設計方法。樁根數設計為391，樁承擔荷載（%）為100,而單樁豎向承載力特征（kN）為1 860、單樁平均反力（kN）為1 832。二是共同作用方法。在共同作用方法中樁根數設計為348，樁承擔荷載（%）為89，而單樁豎向承載力特征 （kN）為1 860、單樁平均反力（kN）/1 854。同時，這兩種設計方法在筏板最大剪力、筏板最大彎矩以及筏板配筋方面均有細微差異,且共同作用方法較低。

通過對高層建筑工程建設中常規方法以及共同作用方法進行分析后，發現二者應根據工程實際建設而進行有機融合與適當調整。例如,在高層建筑上部結構中可結合有限元分子、分子結構計算方法加之三維空間來進行設計，而單柱剛度則可用規范方法進行確定。通過對工程中的常規設計方法以及共同作用方法進行比較分析可知，在常規設計方法基礎上結合共同作用方法的形式，可以有效節約建筑成本、施工時間以及優化施工工藝等，為建筑企業獲取經濟效益的同時，更有效提高了建筑質量[1]。

4 結語

綜上所述，在高層建筑地基基礎中運用共同作用設計，并同常規設計方法進行有機融合與科學應用,可避免出現在傳統高層建筑地基基礎建設中，存在工程設計與實際施工需求差別較大的現象，促使地基基礎與上部結構的關系更科學，工程設計更為合理。因此，在當今社會中的高層建筑地基基礎設計時，應通過合理選擇地基模型，科學設定模型參數等形式對工程作出合理設計，從而達到提高建筑質量，減少工程造價的目的。

[1]李濤.高層建筑地基基礎和樁基礎土建施工技術研究[J].房地產導刊,2015(10)：45.