對高層住宅建筑基礎結構設計的探討

陳礎

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司）

1 引言

如今時代的進步，和人們生活水平的提高，建筑行業(yè)有著顯著的發(fā)展。我國的高層住宅建筑已經(jīng)越來越多，高層住宅建筑的建造也備受人們關注。高層住宅建筑的高度高、樓層多，施工時的面積也較小，這些特點使得它在施工時隨著樓層越建越高，地基要承受的壓力也越來越大，進而導致施工的難度逐漸地增大。所以就必須要嚴格的對高層住宅建筑的基礎結構設計進行把控，以確保高層住宅的地基部分不會發(fā)生坍塌和建筑結構沉降等事故。

作為建筑工程，基礎結構設計是最為基礎的部分，下層基礎與上層建筑有著直接的聯(lián)系和影響。高層住宅建筑基礎結構的安全性與其所在的環(huán)境因素也有極大的關系，所以在設計時也要把環(huán)境因素的影響充分的考慮進去。

2 基礎結構的設計理論

高層住宅建筑的上部結構、基礎以及建筑的地基結構構成了有著共同作用的系統(tǒng)。但因為缺少計算手段以及技術水平較低，使得在相當長的一段時期，為使得計算更為簡便，便將這3個部分的相互作用給切斷了，把上部結構與接觸當做2個獨立的部分來進行計算，即純粹的將基礎當做上部結構的一個底座，經(jīng)過計算得到上部結構在基礎連接點處作用的反力，再將反力作用在彈性地基的前提下來計算得到基礎結構的內(nèi)力。雖然這樣做可以使得計算變得簡單一些，卻忽略了上部結構與基礎之間的產(chǎn)生的共同作用，使得上部結構對基礎結構有限制的作用被忽略了，這樣的受力計算并未將基礎結構實際黨的不均勻沉降對上部結構導致的次應力計算在內(nèi)，導致在一些部位上預估低了上部結構內(nèi)力大小，使得以上結果缺乏可靠性；或者使得基礎彎矩太大，導致設計的結構過于保守了。

2.1 上部結構的剛度的影響

若是上部結構是絕對剛度，出現(xiàn)地基變形之后，豎向構件只可能出現(xiàn)均勻下沉的現(xiàn)象，若是忽略不計豎向構件的抗轉動能力，則它的支座能夠看成是基礎梁的不動鉸支座，就是基礎梁像將連續(xù)梁進行倒置，不會發(fā)生整體性的彎曲，但是會把基底作用的反力作為外加荷載，發(fā)生局部彎曲的現(xiàn)象。若上部結構為絕對柔性，則這樣的結構對于地基變形不會有一點約束，導致基礎梁在發(fā)生局部性的彎曲時也受到較強的整體性的彎曲。以上所述的兩種基礎梁內(nèi)力大小以及分布狀態(tài)有較不小的差異。而工程上結構實際是介于上述兩類情況之間，必須利用計算分析軟件對整體剛度的變化進行充分的考慮。在確保基礎結構、地基和載荷條件恒定的前提下，上部結構的剛度變大，基礎的應力和相對撓曲則減少，與此同時，上部結構的內(nèi)力變大。

2.2 地基條件造成的影響

上部結構和基礎的受力是由所在區(qū)域的地基土的均勻性和可壓縮性決定，若是工程的施工處的地基土并不能壓縮的時候，例如該區(qū)域在巖石層上，基礎結構不會有整體性的彎曲，而且有且僅有極弱的局部性的彎曲，這樣上層結構就不可能由于不均勻的沉降而導致次應力的發(fā)生。但實際的施工場地的地基土大多數(shù)是可以被壓縮的，并且大都是不均勻的分布，如此便會使得基礎結構各個區(qū)域的彎矩分布完全不同，地基和基礎的接觸部分也有可能發(fā)生摩擦。由于有土層自身的強度不高，能夠提供的摩擦力比較小，通常不大于土層的抗剪強度。此外，摩擦力也有可能被孔隙水壓力影響。此外，比如土壤的蠕變、基礎結構的相對柔度以及外荷載的分布情況都會給界面條件造成影響。所以對于摩擦給界面造成影響的預估，應由完全的光滑至完全的黏著來進行，避免出現(xiàn)大的錯誤。

2.3 高層住宅建筑上部結構與基礎、地基共同作用的分析

上部結構、基礎、地基三者組成一個整體，計算分析高層建筑的受力情況就必須要考慮這三者的共同作用。在接觸點和連接點都符合變形協(xié)調的前提下，對整個系統(tǒng)的內(nèi)力和變形進行求解。在分析它們?nèi)吖餐饔玫倪^程中，基礎結構和上部結構一般是梁和板構成的，可以利用有限單元法、有限條法和有限差分法來對它們進行剛度矩陣的構建，并把變性協(xié)調條件和剛度矩陣耦合起來。地基施工時第一步必須選擇正確的地基模型，目前來說，通常說的地基模型有三種：線彈性、彈塑和非線彈性地基模型。再采用上述的三種方法進行地基剛度矩陣的構建。但實際工程上，如今多數(shù)用的是結構力學的辦法進行地基柔度矩陣的建立，再計算求其逆矩陣來獲得剛度矩陣，最后用計算得到的剛度矩陣和上部結構、基礎結構的剛度矩陣進行耦合，得到沉降與作用的反力。在那三者共同作用的分析過程中，也能夠一同對基礎和上部結構實際的剛度進行分析，把施工工程產(chǎn)生的影響也充分的考慮到，再把結構荷載與剛度形成兩者先分開考慮再共同進行分析。

3 高層建筑基礎設計中的問題

3.1 保證荷載可以可靠地傳遞

基礎結構需要有夠大的強度與剛度，以保證可以將高層建筑的上部結構對基礎結構頂面施加的水平和豎向荷載以及力矩傳導至地基土層。

3.2 減少不均勻的沉降

基礎是夾在地基土層和上層結構中間的結構，其大小、剛度和平面上的分布，對緩解局部或整體性的彎曲與不均勻沉降有著很大的影響。例如：若是條形基礎結構無法符合承載力和變形的標準或若是建筑需要基礎結構來對不均勻沉降進行調節(jié)時可以換用筏形基礎。若是地基土較為均勻，筏形基礎基底平面的形心應該和上部結構的豎向永久荷載的重心相重合。圖1是筏形基礎的一般形式。

圖1 筏形基礎的一般形式

3.3 強化健全高層住宅建筑結構體系的建設

建立起一個好的建筑結構體系是建筑工程中十分重要的一個環(huán)節(jié)，所以在實際工程中，一個合理完整的高層住宅建筑基礎結構體系的建立可以很大限度的避免諸多被忽略的施工問題。一般來說，若是有好的建筑結構體系，高層建筑就能夠適應一直在改變的豎向壓力造成的影響。但因為實際生活中承重墻的分布雜亂以及其他諸多的問題，導致建筑結構體系還必須要去不斷地強化健全。

4 案例分析

4.1 案例描述

廣東的某高層住宅建筑由4棟塔樓組成，地上25層的樓層，地下有兩層。總體的建筑面積大約是42311m2，塔樓的高度全部是79.20m。本次施工建筑的結構安全等級為二級，結構設計的使用壽命約50年，基本的風壓0.50kN/m。

4.2 方案設計

本工程的塔樓高79.2m，與以前的施工經(jīng)驗和建筑專業(yè)對內(nèi)部空間與戶型布局的標準相結合，采用剪力墻結構。構件的精細化設計除了匯總在最近這些年的眾多房地產(chǎn)工程中已成功的執(zhí)行以及應用的全面的結構設計的統(tǒng)一辦法之外，與本工程實際的情況相適應，還添加了更加詳細的構件設計辦法來實現(xiàn)優(yōu)化目標。

（1）按照《混凝土規(guī)》的11.3.6條規(guī)定，三級抗震箍筋加密區(qū)的最大間距為min{8d，h/4，150}。按照這條規(guī)定，500和500梁高，在符合計算標準的基礎上，加密區(qū)箍筋的最大間距取120。

（2）依據(jù)《混凝土規(guī)》的6.3.1條規(guī)定，梁的腹板高度hw為有效高度h0拋去板的厚度。按照該條規(guī)，本工程的550高梁可以不配腰筋。

（3）按照《混凝土規(guī)》的11.3.7條規(guī)定，沿梁全長頂面和底面最少需要各配置兩根通長的縱向鋼筋，對三、四級抗震等級，鋼筋直徑不應小于12mm。根據(jù)此規(guī)定，本工程的框架梁的貫通筋使用的是分離式，在符合計算要求的基礎上，貫通面筋取為12mm。

（4）按照《省高規(guī)》的7.2.15條規(guī)定，剪力墻的豎向分布筋的直徑不應該小于10mm。這項工程采用8/10的辦法。

（5）按照工程前期探測的實際的情況，這次工程的土質依次是素填土、中砂、淤泥質粉質粘土、粉質粘土以及中砂等等。依據(jù)這個區(qū)域的以往經(jīng)驗，建筑的基礎形式可以選用鉆孔灌注樁或者預制樁。對工程的施工順序進行了綜合性的考慮，綜合考慮了工期以及造價的要求等，本次的工程選用了PHC管樁的基礎。

5 結束語

隨著時代的進步和社會的發(fā)展，建筑行業(yè)取得了顯著的進步。如今的高層住宅建筑基礎結構設計更是受到了社會的廣泛關注，高層住宅建筑的結構基礎不但要有著足夠的安全性和穩(wěn)定性，還需要有不斷地優(yōu)化和創(chuàng)新，不斷的完善。基礎結構在高層建筑中的作用越來越重要，但是其設計還受到各種外界因素的影響，例如上部結構以及地基土等等因素。在進行設計時還要充分的考慮到地基、上部結構和基礎三者的共同作用，全面而又綜合的設計考慮能夠使工程施工工程中避免眾多潛在的麻煩。此外，設計人員的專業(yè)修養(yǎng)也會對設計造成影響，扎實的專業(yè)基礎和良好的責任心會使基礎結構的設計遇到的困難迎刃而解。高層住宅基礎結構的設計使整個工程設計的關鍵環(huán)節(jié)，建筑公司應重視這一環(huán)節(jié)，認真做好自己的工程項目，一起為建筑業(yè)的發(fā)展做出自己的貢獻。