高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用設(shè)計(jì)

宿志勇

廈門經(jīng)緯建筑設(shè)計(jì)股份有限公司（361000）

高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用設(shè)計(jì)

宿志勇

廈門經(jīng)緯建筑設(shè)計(jì)股份有限公司（361000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，尤其是在城市化進(jìn)程的有效帶動(dòng)下，高層建筑作為解決當(dāng)今建筑用地緊張以及人口不斷增長(zhǎng)之間矛盾的有效方法，被建筑企業(yè)所廣泛關(guān)注。文章分析了高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用設(shè)計(jì)，以期我國建筑業(yè)可以得到更好的發(fā)展。

高層建筑；地基基礎(chǔ)；共同作用

0 引言

地基基礎(chǔ)作為建筑物的基礎(chǔ)項(xiàng)目，不僅關(guān)系到整棟建筑物的質(zhì)量安全，更關(guān)系到整棟建筑物在日后應(yīng)用中的穩(wěn)定性以及長(zhǎng)久性，并對(duì)整體造價(jià)有較大影響。因此，為了保證建筑物安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對(duì)高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用設(shè)計(jì)的探討刻不容緩。

1 高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用研究意義

在高層建筑結(jié)構(gòu)中上部結(jié)構(gòu)的剛度較大，而高層建筑的上部結(jié)構(gòu)同建筑基礎(chǔ)、地基共同構(gòu)成一整套建筑結(jié)構(gòu)體系。受傳統(tǒng)建筑條件以及計(jì)算形式制約的消極影響，在高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)，通常不會(huì)將地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)等部分對(duì)高層建筑整體的共同作用考慮進(jìn)去，因此在傳統(tǒng)建筑中通常會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)劃不合理而出現(xiàn)影響建筑質(zhì)量的現(xiàn)象。因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)的高層建筑基礎(chǔ)整體設(shè)計(jì)方案存在需要優(yōu)化的地方，所以跟隨時(shí)代發(fā)展腳步與施工技術(shù)不斷的創(chuàng)新與完善，高層建筑地基應(yīng)在分析豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在對(duì)高層建筑地基進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，將建筑基礎(chǔ)、地基以及高層建筑上部結(jié)構(gòu)均考慮在內(nèi)，并利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)高層建筑與地基基礎(chǔ)建筑進(jìn)行共同建設(shè)的可行性進(jìn)行分析與運(yùn)算，從而結(jié)合豐富的建筑經(jīng)驗(yàn)與工程建設(shè)規(guī)劃的目標(biāo)，對(duì)載荷和結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行合理規(guī)劃。

在對(duì)高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)首先對(duì)各種地基柔度矩陣?yán)蒙喜拷Y(jié)構(gòu)力學(xué)法進(jìn)行建模,而后利用求逆形式對(duì)剛度矩陣需求進(jìn)行運(yùn)算,最后利用有限元法、有限差分法等形式，對(duì)構(gòu)成基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)的主要材料即板和量進(jìn)行科學(xué)運(yùn)算。此外，為了使運(yùn)算更加科學(xué)合理，應(yīng)在計(jì)算運(yùn)行后將地基剛度矩陣同變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行有機(jī)耦合，促使高層建筑地基共同作用分析具有正確指導(dǎo)意義。

2 高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用機(jī)理

2.1 地基模型的選擇

當(dāng)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(chǔ)中選擇線性彈性地基模型可有效提高結(jié)構(gòu)剛度，促使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)端部、邊緣出現(xiàn)基地反力較為集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致基地邊緣將出現(xiàn)較大反力，而結(jié)合地基邊緣反力就可將點(diǎn)彎矩通過合理方式科學(xué)計(jì)算出來，然而卻存在同實(shí)際測(cè)量存在較大的點(diǎn)彎矩和基地反力差距的現(xiàn)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(zhuǎn)變基底反力較為集中的現(xiàn)象，促使高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用機(jī)理更加科學(xué)合理，在符合工程建筑需求的同時(shí)，相較于線性彈性地基模型可有效提高工程質(zhì)量。

2.1.3 彈塑性地基模型

在高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用分析中采用彈塑性地基模型，將有效達(dá)到高層地基基礎(chǔ)得到充分緩和基層邊緣反力作用，從而與高層建筑在實(shí)際承建過程中實(shí)際測(cè)量結(jié)果較為相符。由此可見，高層建筑作為一項(xiàng)較為復(fù)雜的建筑工程,不僅涉及的建筑項(xiàng)目較為繁復(fù)，在進(jìn)行地基模型選擇時(shí)，也應(yīng)秉持符合工程客觀要求的基本原則，地基模型進(jìn)行科學(xué)、高效且同實(shí)際相符的選擇。若工程中存在相同的荷載、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)，就會(huì)造成基礎(chǔ)內(nèi)力、縱向彎曲情況相對(duì)較為突出的現(xiàn)象，導(dǎo)致對(duì)高層建筑上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響嚴(yán)重，如若高層建筑內(nèi)載荷、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)存在較大差別，則不會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)內(nèi)力受結(jié)構(gòu)剛度影響的現(xiàn)象。由此可知，對(duì)于高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用下地基模型的選擇研究，針對(duì)軟硬地基的條件研究更有利。

在對(duì)高層建筑地基基礎(chǔ)進(jìn)行地基模型選擇時(shí)，若選擇的是線性彈性地基模型，則會(huì)出現(xiàn)建筑層數(shù)越高，建筑兩側(cè)的反力就會(huì)越集中的現(xiàn)象，而這種反力在上部結(jié)構(gòu)柱載荷中反應(yīng)更為明顯，柱荷載反力向兩邊集中現(xiàn)象更為明顯，而反力則隨著層數(shù)的變化而不斷變化,在一般情況下層建筑達(dá)到15層時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生載荷值上升40%的現(xiàn)象，這種載荷數(shù)值上升的情況，就是次應(yīng)力上升的過程，為了使次應(yīng)力得到有效控制,且不影響建筑工程整體質(zhì)量，高層建筑地基模型設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)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(yīng)力存在較大差異，且跟隨有限的結(jié)構(gòu)剛度將呈現(xiàn)逐漸減弱現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行建筑地基模型選擇時(shí)應(yīng)尤為重視底層基層柱產(chǎn)生的次應(yīng)力，以及邊墻共同作用的影響。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

在對(duì)高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作用機(jī)理進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)定時(shí)，可從兩方面進(jìn)行分析：一方面是結(jié)構(gòu)剛度對(duì)共同作用的影響。由于高層建筑受客觀條件以及施工目標(biāo)等客觀條件的影響，結(jié)構(gòu)剛度對(duì)共同作用的影響，將對(duì)施工速度以及施工方法帶來一些改變，尤其在結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)分析時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合共同作用的影響。當(dāng)前高層建筑中的結(jié)構(gòu)剛度存在形式有三即逐層形成結(jié)構(gòu)剛度、“滯后形成”的剛度結(jié)構(gòu)以及一次性同時(shí)形成剛度，而介于結(jié)構(gòu)剛度形成方式不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的建筑效果。另一方面是結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)縱向彎曲的影響。結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)縱向彎曲程度的積極影響較為明顯，因此在進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)定時(shí)對(duì)基礎(chǔ)縱向彎曲程度等因素進(jìn)行全面分析，使得參數(shù)設(shè)定符合工程建設(shè)結(jié)果。

3 工程實(shí)例分析

筆者以位于福建廈門某區(qū)的高層建筑工程建設(shè)為實(shí)例，對(duì)常規(guī)工程設(shè)計(jì)方法以及共同作用方法進(jìn)行分析，從而為高層建筑地基基礎(chǔ)共同作用設(shè)計(jì)提供有效可性的方式方法。

福建廈門某區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為工程結(jié)構(gòu)體系。結(jié)合工程建筑目標(biāo)以及施工實(shí)際需求、MINDLIN有限元原理對(duì)該工程在建設(shè)規(guī)劃中的物理指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，主要可分為兩種形式進(jìn)行分析：一是常規(guī)設(shè)計(jì)方法。樁根數(shù)設(shè)計(jì)為391，樁承擔(dān)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(shù)設(shè)計(jì)為348，樁承擔(dān)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(shí)，這兩種設(shè)計(jì)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(xì)微差異,且共同作用方法較低。

通過對(duì)高層建筑工程建設(shè)中常規(guī)方法以及共同作用方法進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)二者應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際建設(shè)而進(jìn)行有機(jī)融合與適當(dāng)調(diào)整。例如,在高層建筑上部結(jié)構(gòu)中可結(jié)合有限元分子、分子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法加之三維空間來進(jìn)行設(shè)計(jì)，而單柱剛度則可用規(guī)范方法進(jìn)行確定。通過對(duì)工程中的常規(guī)設(shè)計(jì)方法以及共同作用方法進(jìn)行比較分析可知，在常規(guī)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上結(jié)合共同作用方法的形式，可以有效節(jié)約建筑成本、施工時(shí)間以及優(yōu)化施工工藝等，為建筑企業(yè)獲取經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更有效提高了建筑質(zhì)量[1]。

4 結(jié)語

綜上所述，在高層建筑地基基礎(chǔ)中運(yùn)用共同作用設(shè)計(jì)，并同常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行有機(jī)融合與科學(xué)應(yīng)用,可避免出現(xiàn)在傳統(tǒng)高層建筑地基基礎(chǔ)建設(shè)中，存在工程設(shè)計(jì)與實(shí)際施工需求差別較大的現(xiàn)象，促使地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系更科學(xué)，工程設(shè)計(jì)更為合理。因此，在當(dāng)今社會(huì)中的高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過合理選擇地基模型，科學(xué)設(shè)定模型參數(shù)等形式對(duì)工程作出合理設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高建筑質(zhì)量，減少工程造價(jià)的目的。

[1]李濤.高層建筑地基基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)土建施工技術(shù)研究[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊,2015(10)：45.