对于高层框架结构基础设计的建议|框架剪力墙结构
时间：2019-05-26 03:29:50 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘 要 本文主要以高层建筑基础结构设计，文章对高层建筑的基础选型的原则与影响基础选型的个各种因素以及基础结构设计的方法提出了几个建议。 关键词; 基础选型高层建筑设计方法 基础设计的建议
Abstract: Aiming at the foundation structure design of high-rise buildings, this paper puts forward some suggestions of the principles and influence factors of foundation types selection, and the methods of foundation structure design.
Keywords: foundation types selection; high-rise buildings; design methods;the suggestions for foundation design
中图分类号： TU208.3文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1高层建筑基础选型
1 1影响基础选型的各种因素
1 1 1 上部结构资料
上部结构的资料对基础选型的影响主要所表现在建筑物体型、结构类型、柱(墙) 底轴力、地下室的深度及地下水浮力的影响这几个方面。
(1)建筑物体型是指平立面的变化、建筑设施的布置、墙体的分布及所用材料等。一般体型较为简单的房屋比体型复杂的房屋在沉降方面均匀, 基础设计较易。 本文是以两栋相同层数的高层建筑, 其中一个的体型比较简单, 剪力墙分布也比较均匀; 另一个则高低层相接, 地下联为整体。两者相比, 后者的平均压力都还可能小于前者, 但其荷载分布不太均匀, 各柱基间的沉降差要求相当严格。如果地基承载力为150kPa, 则前者就可使用天然地基, 而后者可能就要采用大直径桩或群桩。
(2)上部结构类型: 不同类别的结构, 其适应沉降的能力及其容许变形值各不相同, 因此适用的基础型式也不相同。经归纳, 各类上部结构的适用基础型式如表1 所示。
表1 各类上部结构的适用基础型式
(3)柱(墙) 底轴力: 往往在上部结构尚未设计好时, 施工单位便催促基础施工图, 这时基础的型式一般是通过对柱(墙) 底轴力的估算而选取的。
柱(墙) 底轴力= 柱(墙) 受荷面积 楼层数 结构单位面积荷载取值, 结构单位面积荷载取值一般根据经验确定, 如表2所示是不同结构形式的结构自重经验数据(未计入活荷载) 。
(4)地下室的深度与地下水浮力: 对于高层建筑结构来说。箱形基础本身就是地下室,而片筏基础充当了地下室的底板,柱下独立桩基承台和地基梁则都是会充当地下室底板的骨架。地下室对于基础选型的影响主要所表现在以下的两个方面:若为补偿式基础, 如箱形的基础, 则地下室挖空的地基土重量是不能忽视的。基础的沉降是由地基有效压力的增加而产生的, 如果地基有效压力不变,则基础不会沉降。若补偿式基础选取一个合适的埋深, 使得由地下室移去的土的质量与施加的建筑物质量基本平衡, 那么建筑物的沉降量就会很小。作为一项中空的构件, 结构物中所受水浮力即影响到底板的局部抗浮, 又影响到结构物的整体抗浮。对于那些全埋式地下室尤其如此。如某国际机场扩建配套工程之一的停车楼工程, 主体是一栋地下四层、地上一层,长2622m,宽1338m 的建筑物, 规模要宏大。由于场内在0000 以下256-276m 分布有14- 16m 厚的中细砂含水层, 它有着强大的浮力远远超过建筑物自重, 为防止该楼在日后使用中上浮变形,设计时采用了久性抗浮锚桩。
1 1 2 地质条件
具体而言, 地质条件又包括持力层的情况和所需穿越土层的情况(对桩基) 。
持力层的情况: 地基的持力层是直接支承基础的土层, 其承载力和压缩模量是基础选型中极其重要的因素 。当考虑持力层情况时, 各类基础的选取原则可参考表3。
(2)所穿越的土层情况: 对于桩基, 尤其是摩擦桩都是会要穿越较厚的土层, 土层的不同都是会对桩的类型、成桩的工艺提出不同的要求, 具体的影响表现在:地下水的影响; 坚硬土层的穿越能力。
1 1 3 周围环境因素
(1)振动和噪声。对于蒸气桩机、锤击桩机等, 施工时噪声高、振动大、油污飞溅, 三者统称为一次性公害, 会给人们的生活造成很大影响, 各地方政府也对其应用进行了不同程度的限制。
(2)施工空间。基础的选型还要考虑是否有足够宽度的施工机具进退场道路以及是否有足够的四邻距离供施工机具施工。一般的清况下, 锤击或静压式预制桩机具要求有6m 以上的进退场道路。机具施工要求与四邻的距离也要有15m 以上净距才好便于操作。而挖孔桩及钻孔桩机具进退场道路则没有严格的要求, 钻孔桩施工机具可紧贴四邻施工。(3)挤土效应。打入式和压入式成桩工艺在施工中会产生挤土效应, 使地基土隆起和水平挤动, 不同程度地对邻近建筑物和地下管线产生不良影响。这种情况下, 非挤土桩和部分挤土桩会成为不错的选择。
1 1 4 桩的尺寸限制
因为各种的因素影响, 桩长和桩截面尺寸会受到限制。如因安全方面的原因, 人工挖孔桩一般都不能大于30m, 而沉管灌注桩由于钢管的长度, 往往不大于24m。预制方桩及预应力的管桩由工厂定制, 长度都是10-15m, 工程中都是采用接桩的方法使桩长达到持力层, 其接头数规范规定一般为2-3次, 不超过4 次。钻孔灌注桩的工程长度都是不受限制。就桩径而言, 人工挖孔桩由于人身体的工作空间要求,一般是不能小于800mm, 而钻孔桩、锤击预制桩等, 由于机具的条件限制, 却往往难以大于800mm。如表4 所示是几种常用桩尺寸方面的限制。
1 1 5 性价比和工期
对于任何一个工程, 性价比和工期都是首当其冲要考虑的。基础选型也不例外, 因此基础型式的最后选定还应通过对设计方案进行全面的技术经济论证, 通过多种方案的比较, 使基础的造价最小。仅看基础的承载力或仅考虑施工速度而忽略整个工程的综合经济效益是不可行的。
1 2基础选型原则
基础选型不是不变的固定模式, 其总体的原则是: 要充分的利用基础承载能力, 在满足规范规定的各项承载指标的前提下, 选出最经济的基础型式。我们在基础选型时, 先应在总体上来把握, 充分的考虑上述影响基础选型的各大因素。可参考表5 所归纳的选型原则。
2 对于高层建筑基础结构设计方法的简要评述
目前, 最理想的分析方法是上部结构与地基、基础共同作用的分析方法, 这种方法中地基、基础、上部结构之间同时满足接触点的静力平衡以及接触点的变形协调两个条件, 即将上部结构、基础和地基三者看成是一个彼此协调的整体。这种从整体上进行相互作用的分析方法难度较大, 计算量庞大, 对计算机的性能及存储量要求较高, 只在较复杂或大型基础设计时, 按目前可行的方法考虑地基- 基础- 上部结构的相互作用。因此一定要考虑到上部结构和地基基础共同作用的分析方法也不是完美无缺的。它同样也需要采用种种假定,也不能避免各种地基模型的固有误差; 并且上部结构的刚度形成存在滞后, 由于上部结构的刚度在建造过程中是逐层形成的, 在考虑上部结构边界刚度对基础的影响时, 这一滞后过程能否被真实模拟也会对分析结果的准确性产生影响。共同作用分析方法的进步之处仅在于它考虑了上部结构的刚度而已。目前, 对于一般基础的设计, 采用的仍然基于经典结构力学和弹性力学的常规设计方法。这种方法简便快捷, 对于单层排架结构一类的上部柔性结构以及地基较好的独立基础, 能够得到较满意的结果; 对于高层剪力墙结构下箱形基础置于一般土质天然地基这种情况, 简化计算结果也能满足要求。但是, 对于钢筋混凝土框架这类对地基沉降较敏感的结构, 计算结果与实际不同; 对于软弱地基上的条形基础, 按这种方法计算与实际差别也较大。
3对高层建筑基础设计的建议
3 1 对高层框架结构基础设计的建议
对于高层框架结构, 随着层数的增加, 作用在基础上的柱荷载也将增大。在竖向荷载作用下, 基础产生碟形沉降,由于上部结构具有一定刚度, 边柱沉降小, 与基础紧密接触而加载; 内柱沉降大, 受到拉伸而卸载。各楼层柱尤其是底层柱内力重分配的结果, 势必将引起上部结构和基础内力的变化。这种的现象只有在共同作用分析中才会被适当的考虑。在高层框架结构基础设计时, 基础宜柔不宜刚; 若地基土为高压缩性, 则基础宜刚; 当采用桩基时, 可考虑采用变刚度布桩的方式(如改变基础中部桩径或桩长、加密中部布桩) , 以调整地基或桩基的竖向支承刚度, 使差异沉降减到最小, 从而减小基础或承台的内力。
3 2 对高层建筑箱(筏)
在上部结构刚度与地基的条件不变情况下, 基础中的内力随其刚度增大而增大, 相对挠曲随之也就减小, 由此使得上部结构中的次应力也随之而减小。为了分担上部结构的力矩, 尤其是上部结构柔性结构时, 有时会故意把板做厚, 增加基础的刚度, 利用的就是此原理。高层建筑箱(筏) 基础设计时, 考虑上部结构参与工作有利于降低箱基的整体弯曲应力。如果上部的结构为框架结构, 箱基底板配筋的应力采用规范中的方法也要进行计算与实际存在一定的差别, 其值偏小, 说明按常规设计方法就会造成材料强度的浪费。建议使用共同工作整体分析来进行计算, 这样算得的整体弯曲箱基底板钢筋应力才比较符合实际; 另外, 共同作用使得上部结构下面几层边柱(墙) 出现较大内力, 采用常规设计方法时应提高边柱(边墙) 的内力。
3 3对高层建筑桩箱(筏) 基础设计的建议
对于一些高层建筑桩箱(筏) 基础, 共同作用分析结果所表明:因为桩的存在, 不但能使得箱(筏) 基整体内力明显的下降, 而且底板的基底土反力也会大大减小, 箱(筏) 基的沉降也明显减小。一般情况下, 上部荷载满布, 常规设计桩顶反力分布通常是角桩反力最大, 边桩次之, 内部桩最小。另外, 共同作用也会使得上部结构的下面几层边柱(墙) 产生较大的次应力。高层建筑桩箱(筏) 基础设计时, 可采取变刚度布桩的方式, 调整桩基的竖向支承刚度, 从而调整桩顶反力分布; 若考虑利用桩间土分担上部荷载, 充分发挥箱(筏) 底桩间土的承载力, 可适当的增加基础中部桩的间距; 另外, 如果上部结构为剪力墙, 则桩宜沿剪力墙轴线布置, 这样与满堂布桩相比就可以大大减小底板的厚度。
4 结语
(1)高层建筑基础选型要考虑上部结构特性、持力层的情况、所穿越土层的情况、周围环境因素, 采用桩基础时还要考虑桩的尺寸限制, 以及最终起决定因素的性价比和工期等诸多因素, 具体原则可参考表5。
(2)用常规设计方法简化计算时有其适用范围, 对地基沉降较敏感的结构以及对于软弱地基上的条形基础计算结果与实际不同, 设计时当重视; 另外, 共同作用分析方法虽有其优越性, 但也不是完美无缺。
(3)在进行高层建筑基础设计时, 最好采用共同作用分析方法进行计算。往往共同作用使得上部结构下面几层杆件的内力受到较大影响, 其变化规律一般都呈由外向里,由下往上逐渐衰减, 即下面几层边柱(墙) 处会出现较大内力, 采用常规设计方法时应提高边柱(墙) 的安全储备。
参考文献
[1]侍倩 高层建筑结构[M]北京: 化学工业出版社, 2005
[2]顾晓鲁, 钱鸿缙, 刘惠珊, 汪时敏 地基与基础(第三版) [M] 北京: 中国建筑工业出版社, 2003
[3]陈国兴 高层建筑基础设计[M]北京: 中国建筑工业出版社,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
