浅谈高层建筑结构设计中基础设计

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1、浅谈高层建筑结构设计中基础设计摘要：本文就高层建筑结构设计中的基础设计进行理论概述，论述了高层建筑结构基础设计中应注意的问题，旨在与广大同仁交流，不断提高高层建筑结构设计质量，共同进步。关键词：高层建筑基础设计；基础刚度；作用理论中图分类号：TU97文献标识码：A一、概述9高层建筑的主要特征是层数多，高度大，重量大。由于建筑物高耸，不仅竖向荷载大而集中，而且风荷载和地震荷载引起的倾覆力矩成倍增长，因此要求基础和地基提供更高的竖直和水平承载力，同时使沉降和倾斜控制在允许的范围内，并保证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性。这就对基础的设计和

2、施工提出了更高、更严的要求。高层建筑基础工程的造价和施工工期在建筑总造价和总工期中所占的比例，与上部结构形式和层数、基础结构形式、桩型以及地质复杂程度和环境条件等因素有关。除了钢结构和直接建造在基岩上的浅基础以及岩层埋藏很浅的桩基础以外，就钢筋混凝土结构和一般地质条件而言，采用箱形基础或筏基的高层建筑，其基础工程（包括基坑支护和开挖施工）的费用约占建筑总造价的10%~20%，相应的施工工期约占建筑总工期的20%~25%；采用桩基的高层建筑，则上两项的比例分别约为20%~30%和30%~40%。因此，基础工程的设计和施工对高层建筑本身及其周围环境

3、的至关重要，其造价与工期对高层建筑总造价与总工期有举足轻重的影响。二、高层建筑基础的设计理论高层建筑的上部结构具有很大的刚度，它和基础结构及地基三者实际上构成了一个共同作用的体系。然而长期以来，由于人们认识上的局限性以及计算手段的缺乏，在设计计算中往往人为地切割了各部分之间的联系，而把上部结构和基础结构作为两个独立的单元分别进行考虑，亦即首先把基础结构作为上部结构的固定支座，求得上部结构在荷载作用下的内力和基础结构固定处的反力，然后把该反力作用于弹性地基的基础上计算基础的内力。这种方法没有考虑上部结构与地基基础的共同作用，忽略了上部结构对基础的

4、约束（亦即上部结构刚度的贡献）作用。它所导致的结果：一是基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守；二是没有考虑基础实际存在的差异沉降对上部结构引起的次应力，在某些部位低估了上部结构的内力，从而使这些部位计算结果偏于不安全。（一）上部结构的刚度对基础受力状况的影响9假设上部结构为绝对刚性，当地基变形时，各竖向构件只能均匀下沉；如忽略竖向构件端部的抗转动能力，则竖向构件支座可视为基础梁的不动铰支座，亦即基础梁犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，却以基底分布反力为外荷载，产生局部弯曲。反之，假设上部结构为绝对柔性，对基础的变形毫无约束作用，于是基础梁在

5、产生局部弯曲的同时，还经受很大的整体弯曲。于是，两种情况下基础梁的内力（例如弯矩）分布形式与大小产生很大的差别。实际结构物常介于上述两种情况，其整体刚度的考虑非常困难，只能依靠计算软件分析。在地基、基础和荷载条件不变的情况下，增加上部结构的刚度会减少基础的相对挠曲和内力，但同时导致上部结构自身内力增加，即是说，上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应注意的是上部结构的刚度贡献也并不是无限。（二）基础刚度对基底反力分布的影响9绝对柔性基础当上部结构刚度可以忽略时，对荷载传递无扩散作用，如同荷载直接作用在地基上，反

6、力分布p(x,y)则与荷载q(x，y)大小相等、方向相反。当荷载均匀时，基础呈盆形沉降；如欲使基础沉降均匀，则需使荷载从中部向两端逐渐增大，呈不均匀状。绝对刚性基础对荷载传递起着“架越作用”。由于基础为绝对刚性，迫使地基均匀沉降。由于土中塑性区的开展，反力将发生重分布。塑性区最先在边缘处出现，反力将减小，并向中部转移，形成马鞍形分布。理论分析与试验研究表明，基底反力的分布除与基础刚度密切相关外，还涉及到土的类别与变形特性、荷载大小与分布、土的固结与蠕变特性，以及基础的埋深和形状等多种因素。基底反力分布大致分为三种类型：1、如果基底面积足够大，有

7、一定的埋深，荷载不大，地基尚处于线性变形阶段，则基底反力图多为马鞍形；如图（a)所示；当地基土比较坚硬时，反力最大值的位置更接近于边缘。2、砂土地基上的小型基础，埋深较浅或荷载较大，临近基础边缘的塑性区逐渐扩大，这部分地基土所卸除的荷载必然转移给基底中部的土体，导致中部基底反力增大，最后呈抛物线形，如图（b）所示。3、当荷载非常大，以致地基接近整体破坏时，反力更加向中部集中而呈钟形，如图（c）所示；当两端存在非常大的地面堆载或相邻建筑的影响时，也可能出现钟形的反力分布（三）地基条件对基础受力状况的影响9基础受力状况（乃至上部结构的受力状况）还取

8、决于地基土的压缩性（即软硬程度或刚度）及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时（例如基础坐落在未风化的基岩上），基础结构不仅不产生整体弯曲，局部弯曲亦很小