關于高層建筑基礎結構設計要點探析

黃曉亮

摘 要：當前社會經濟取得了較快的發展，這也加快了城市化建設的進程，隨著城市人口數量的增加，城市用地較為緊張，在這種情況下，高層及超高層建筑成為城市的主要建筑形式。在當前高層建筑建設過程中，需要做好基礎結構設計工作，以此來確保基礎本身的強度和剛度，確保高層建筑工程的整體質量。

關鍵詞：高層建筑 基礎結構設計 影響因素 設計要點

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0143-02

近年來高層建筑在城市中較為普遍，高層建筑基礎作為其結構體系中非常重要的組成部分，越來越被業內人士所重視。因此在當前的高層建筑基礎結構設計過程中，需要重視其強度和剛度，確保基礎的穩定性和具有較好的抗變形能力，在具體設計時要對上部結構、基礎和地基進行綜合考慮，全面提高基礎設計的合理性。

1 高層建筑基礎設計影響因素

1.1 上部結構的剛度對基礎受力的影響

當上部結構為絕對剛性時，一旦地基變形，則各豎向構件就會均勻下沉。這其中在忽視豎向構件端部抗轉動能力的情況下，可以將豎向構件支座視為基礎梁的不動鉸支座，可以將基礎梁視為倒置的連續梁，以基底分布反力作為外荷載，有局部彎曲產生。假設上部結構為絕對柔性情況下，對基礎變形則無約束作用，在基礎梁產生局部彎曲的同時，還要承受較大的整體彎曲。在這兩種情況下，基礎梁的內力分布形式和大小具有較大的差異性。在實際高層建筑基礎結構設計中，實際結構物通常會介于這兩種情況之間，對于整個剛度考慮時需要依靠計算軟件進行分析。在保證地基、基礎和荷載條件不變的情況下，通過增加上部結構的剛度會減少基礎的相對撓曲和內力，導致上部結構自身內力增加。

1.2 基礎剛度對基底反力分布的影響

對于絕對柔性基礎，當忽視上部結構剛度的情況下，荷載傳遞無擴散作用，這種情況下就等同于荷載直接作用在地基上，反力分布與荷載大小相等，但方向呈現相反性。荷載較為均勻時，基礎呈現出盆形沉降，要想達到基礎沉降的均勻分布，則需要確保荷載從中部向兩端不斷增大，使其呈現也不均勻狀況。對于絕對剛性基礎，由于其迫使地基均勻沉降，但對于土中塑性區域，反力首先出現在邊緣處，反力會減小并向中部轉移，形成馬鞍形分布。對于基底反力的分面，其與基礎剛度具有較為密切的關系，同時還與土的類別、土變形特性、荷載大小與分布、土的固結與蠕變特性、基礎埋深和形態等諸多因素存在一定的關系。基底反力分布可以分為3種類型，具體如下。

（1）當基底面積較大而且具有一定埋深、荷載不大，同時地基處于線性變形階段的情況下，則基底反力圖以馬鞍形為主，在堅硬地基土情況下，邊緣位置多為反力最大值出現的位置。

（2）對于砂土地基上的一些小型基礎，埋深淺及荷載大，而且臨近基礎邊緣的塑性區呈現出逐漸擴大的趨勢，這部分地基土荷載在卸除時必然會向基底中部的土體進行轉移，這必然會增加中部基底的反力，使其呈現出拋物線形。

（3）當荷載大至致使地基接近到整體破壞的情況下，反力則向中部集中并呈現出鐘形，這種情況下，如果兩端存在較大的地面堆載或是相鄰建筑影響的情況下，也會出現鐘形反力分布。

1.3 地基條件對基礎受力的影響

地基土的壓縮性和分布的均勻性直接關系到基礎受力狀況。對于不可壓縮的地基土，其基礎結構不會有整體彎曲現象產生，而且局部彎曲相對也較小，在不均勻沉降產生時，上部結構也不會產生次應力。只有當地基土具有一定可壓縮性且分布不均勻的情況下，由于基礎彎矩分布截然不同，上部結構在不均勻沉降下會產生次應力。同時基礎與地基界面處還會有摩擦特性顯示出來，但基于土強度有限，因此所產生的摩擦力也相對有限，不會超出土的抗剪強度。另外，當孔隙水壓力發生變化時，極易對壓縮過程中摩擦力大小和分布帶來一定的改變。

2 高層建筑基礎結構設計要點分析

2.1 基礎方案選擇

在高層建筑基礎結構設計過程中，需要嚴格按照工程地質條件，并考慮施工條件及相鄰建筑物的影響，通過對上部結構類型和荷載分布進行具體分析，以此來確保基礎設計方案的經濟性和合理性。在具體設計過程中，為了能夠更大限度地發揮出地基的潛力，則需要驗算地基變形。而且在基礎設計時，還需要以詳盡的地質勘察報告作為依據，必要時還可以參考臨近建筑資料和現場勘察報告。

2.2 基礎的埋深

高層建筑其垂直高度較大，這也要求其基礎要具備一定的埋深，在計算埋置深度時，需要從室外地坪算至基礎底面。獨立的高層建筑的基礎埋深容易確定。但當前高層建筑建設過程中，多是與地下車庫相連，針對于采用筏板基礎或是設有防水底板獨立基礎的地下車庫基礎，在確定高層建筑基礎埋深時，也可以將室外地坪作為起始點，同時高層建筑地下室頂板和地下車庫頂板設計時要按照嵌固層要求進行設計，地下車庫要具備足夠的側向剛度，如果無法滿足以上條件時，高層建筑基礎埋深則需要以地下車庫地面作為起始點進行計算。在具體對埋置深度進行確定時，要對建筑物高度、體型、地基土質、抗震設防烈度等諸多因素進行考慮，埋置深度計算時要從室外地坪至基礎底面，而且要與下列要求相符：其一，對于天然地基或是復合地基則要求取房屋高度的1/15；對于樁基礎，可以取房屋高度的1/18。對于采用巖石基礎的建筑物，在其滿足要地基承載力和穩定性要求的基礎上，基礎埋深不必受上限兩點限制，對于可能產生滑移的地基則要求采取抗滑移措施。

2.3 嵌固端設置

當前高層建筑建設過程中，通常情況下都是會帶有人防和地下室，所以嵌固端一般設置在人防頂板或地下室頂板等位置。在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了如結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調、嵌固端上下層抗震等級的一致性以及嵌固端樓板的設計等由嵌固端的設置而帶來的一系列需要注意的問題。這其中如果忽視其中任何一個方面，那么其必然會對后期設計工作帶來嚴重的影響，無法有效地保證高層建筑結構的質量和安全。

2.4 軸向形變

由于低層建筑結構其軸力項影響較小，因此在設計時只需要考慮彎矩項即可，而不需要考慮剪切項。但高層建筑結構則不同，其不僅層數較多而且垂直高度大，軸力值相對也較大，隨著高度積累，其軸向變形也較為顯著，這必然會造成高層建筑結構分布與內力數值發生較大的變化。因此在進行高層建筑結構設計過程中，需要考慮軸向變形所帶來的影響。當結構完成后，結構所受到的豎向荷載通常都是逐層施加，即在施工過程中軸向壓縮變形即已分階段完成。因此在考慮軸向變形的分層施加豎向荷載這一因素時，不能按一次加載，這樣會造成計算結果的不合理性。另外，當樓層逐漸增加時，高層建筑結構的側向變形也會在水平荷載的作用下快速增大。

3 結語

當前高層建筑已成為城市的主要建筑形式，人們對高層建筑的質量越來越重視。因此在高層建筑結構設計過程中，需要確保其設計的合理性，這是確保高層建筑質量的關鍵所在。因此需要努力提高高層建筑結構設計人員的整體水平，使其在具體設計過程中能夠高效地利用上部結構剛度和地基條件，并通過選取合理的基礎形式，同時各方在項目實施過程中緊密配合，以此來全面提高高層建筑的質量，更好地推動建筑行業的健康、持續發展。

參考文獻

[1] 郭惠，李晉民.關于高層建筑基礎設計的幾點思考[J].金陵科技學院學報，2000（1）：49-51.

[2] 金子巍.高層建筑基礎設計探討[J].煤炭工程，2012（S2）：75-76.

[3] 李明艷.淺析高層建筑的基礎設計[J].工程建設與設計，2013（3）：72-74.endprint