高層建筑基礎設計中的荷載取值探討

李伊

華藍設計（集團）有限公司 廣西 南寧 530000

1 設計荷載取值對結構安全的影響

1.1 豎向荷載

當前，建筑上部結構的設計計算模型通常是基于基礎均勻沉降的前提下，而如若基礎出現不均勻沉降，將會導致建筑上部結構的計算出現偏差。因此，在建筑結構設計規范中對建筑基礎的沉降差以及傾斜值的要求給予了明確的規定，如此不僅能夠確保建筑使用的安全性，而且能夠有效避免基礎出現不均勻沉降，防止建筑上部結構內部附加應力而導致的裂縫問題；且如若建筑基礎出現不均勻沉降，往往會導致建筑上部結構的內力重新分布，并形成一個附加應力，而此應力在原先的設計計算中又未予以考慮，因此，就會導致建筑結構的安全度無法滿足設計規范的相關要求。另外，由于風力荷載或地震作用對建筑物產生的附加軸力通常是中間小、周邊大，且對于高層建筑物而言這種附加軸力作用更加顯著。但是，因建筑物基礎的沉降與長期荷載效應是相應的，而結構設計的風荷載和地震作用則較少出現。因此，在基礎設計荷載的取值時，如若按照各個基本荷載組合的基頂最大軸力進行建筑基礎設計，將會導致在長期荷載組合的作用下建筑物出現整體不均勻沉降，并在建筑上部結構形成附加應力導致上部結構出現開裂。換而言之，按照各個基本荷載組合的基頂最大軸力進行建筑基礎設計，并非能夠提升建筑結構的安全性能，但如若建筑基礎頂部的設計荷載取值過小，就會在一定程度上導致基礎出現破壞，甚至會導致建筑出現整體失穩。

1.2 水平荷載

通常，建筑基礎設計是基于豎向設計荷載，并結合水平承載力進行相關核算。一般情況下，高層建筑的基礎結構多采用較大的深基坑形式，其具有良好的水平嵌固作用，且能夠有效滿足建筑水平承載的相關要求，此時建筑基礎設計的水平荷載選取何種組合方式不會對建筑上部結構造成太大影響。但如若水平荷載過大而按照豎向荷載進行基礎設計，往往會造成其水平承載性能不夠，則須加大基礎構件截面尺寸或埋深，以防止水平荷載取值不當而對建筑基礎的穩定性造成影響，甚至導致建筑結構出現失穩倒塌的情況。

2 高層建筑基礎設計中的荷載取值

2.1 豎向荷載取值

建筑基礎的沉降變形主要是由三個部分所組成，分別為瞬時沉降、固結沉降以及次固結沉降，其中，在基礎沉降變形中瞬時沉降占比最小，主固結及次固結沉降則表現出了較為顯著的時間效應。由此可見，在進行建筑基礎設計荷載的取值時，驗算其豎向承載能力應以永久荷載與活荷載的基本荷載組合為主，同時，還應將風力荷載影響以及地震荷載的影響考慮在內。具體而言，是指對于建筑基礎不需要進行抗震計算的，應在進行基礎設計時采用永久荷載與活荷載組合的基頂荷載取值對樁數及基底面積進行控制，而永久荷載與風載（或永久荷載、活荷載與風載）效應組合的基頂荷載可依據豎向偏心荷載影響下的承載力公式予以驗算：即γ0Nmax≤1.2R（該式中的γ0是指重要性系數，Nmax是指最大基底應力，R是指地基承載力設計值）。通過上述公式可知，當在各種基本荷載組合作用下的基礎頂面最大軸力小于1.2倍永久荷載與活荷載組合作用下的基礎頂面最大軸力時，樁基數量及基底面積須以永久荷載與活荷載組合作用下的基礎頂面荷載來進行控制，反之則須以基本荷載組合作用下的基礎頂面最大軸力1.2來進行控制。另外，在需要考慮抗震計算的建筑工程中，可通過采取類似于非抗震設計的計算方法，但不同之處在于在按照公式γ0Nmax≤1.2R進行荷載的驗證計算時，往往需要將永久荷載與風載（或活荷載及風載）組合作用下的基礎頂面內力和重力與地震作用組合下的基礎頂面內力進行區分。

此外，對于建筑地基為非液化土時，建筑基礎承載力可按照《建筑抗震規范》的相關設計系數進行適當提升，此時即便地震荷載作用對基頂內力比風載作用造成的影響大，地震荷載與重力組合作用下的基頂內力也不一定比永久荷載與風載（或永久荷載與活荷載及風載）組合作用下的基頂內力危險；而對于建筑地基為液化土或存在液化土地層時，因液化土層的承載性能較弱，即便地震荷載的作用對基頂內力比風載造成的影響小，地震荷載與重力作用下的基頂內力也不一定比永久荷載與風載（或永久荷載與活荷載及風載）組合作用下的基頂內力安全。因此，在使用地震荷載與重力組合作用下的基頂內力進行建筑基礎設計的驗算時，完成修正后的地基承載力特征值已經將地基承載力提高系數以及液化土層的影響數值進行了考慮。同時，由于風載或地震荷載對高層建筑物的基礎頂面軸力會造成較大的影響，且各種基本荷載組合作用的基頂軸力通常要大于永久荷載與活荷載組合作用下的基頂內力，所以，按照上述方式開展基礎設計計算，相對單純按照基頂軸力開展基礎設計計算更加合理。

2.2 水平荷載取值

高層建筑往往會受到風載以及地震荷載的影響，因此，在建筑基礎設計時務須要考慮水平荷載的影響。另外，除了會受到風載和地震荷載的影響外，對處于水土壓力不平衡的河道或坡地等位置的建筑基礎，還應將動水及靜水壓力對其的影響考慮在內。此外，在建筑基礎的非抗震設計時，由于基礎水平變位的影響比土體側向變形更加顯著，因此，基礎設計的水平荷載值通常是選基礎頂部剪力的最大值。

3 結束語

高層建筑往往重心高、荷載大、受力復雜，對基礎底面荷載多存在偏心，因而，也極易導致建筑基礎出現沉降不均等情況。而為最大限度規避基礎沉降不均，設計人員須對基礎設計中的相應荷載取值予以科學選定，并做好嚴格審核、驗算，以確保荷載取值正確合理，從而為確保建筑基礎的安全穩固提供切實保障。