高层建筑桩筏基础协同作用的应用

唐建华

【摘要】桩筏基础是高层建筑设计中普遍采用的一种基础形式，目前有关桩筏基础的协调作用研究已取得了一定的成果，但是由于桩筏基础是一个异常复杂的系统，其协同作用受到多方面因素的影响，因此有必要对高层建筑桩筏基础的协同作用进行深入研究和剖析。为此，本文以某高层建筑为例，着重分析桩筏基础基础的应用及其协同作用。

【关键词】高层建筑；桩筏基础；协同作用；应用研究

随着城市化进程的加快，高层建筑建设规模和数量迅速增长，桩筏基础的应用优势也日益凸显，广泛应用于高层建筑设计中，尤其是软土地区在修建高层建筑时，更是将桩筏基础作为主要结构。有关桩筏基础结构与地基之间的协同作用，国内外学者已进行了一系列的研究并取得了丰硕的成果，但是其研究对象局限于基础沉降、筏板内力、桩顶反力分布、桩土分担荷载比等几个方面的概念研究，没有通过计算准确地表达，即使大量的工程实践总结出许多原理和方法，但是研究成果与实际应用还存在一定的差距。因此，充分认识桩筏基础与地基之间的作用机理及应用情况对于提高桩筏基础的实用性，改进桩筏基础设计方法具有重要意义。

一 桩筏基础协同作用概述

高层建筑上部结构通过墙、柱等与桩筏基础结构相连，桩筏基础底面则直接与地基相连，三者通过组成一个完整的建筑系统，彼此之间也相互作用或制约[1]

。研究桩筏基础与地基之间的协同作用有助于检验三者的接触部位是否满足变形协调条件，这也是协同作用的核心理念。研究表明建筑上层结构、桩筏基础与地基三者的协同作用计算结果与相互割裂计算结果存在明显不同，上部结构的荷载作用使地基发生变形，而地基变形又受到桩筏基础的制约，桩筏基础的刚度不同，其对地基变形的制约程度也不同，反过来，桩筏基础又随地基的变形发生一定的改变，其改变同时受到建筑上部结构的影响，这种影响程度取决于上部结构的刚度[2]。因此，在协同作用分析中，上部结构、桩筏基础和地基三者之间是相互制约、相互影响的关系。经过协同作用分析可以了解建筑整体结构的实际工作状态，使建筑设计工作变得更加经济、合理。

二 高层建筑桩筏基础协同作用应用的研究重点

高层建筑桩筏基础协同作用研究主要解决两个方面的内容，一是如何建立上部结构、桩筏基础及地基之间的整体矩阵，二是采取何种方法求解荷载、位移平衡方程，根据位移连续协调理论可将三者之间的作用方程表述如下：[K+Ksp+Kb]{U}={Q}+{Sb}，其中，K為基础刚度矩阵，Ksp为桩土支撑刚度矩阵，Kb为上部结构刚度矩阵，U为节点位移向量，Q为上部结构荷载向量，Sb为基础荷载向量[3]。通过方程求解即可得到相关数据内容，包括地基土反力、基础沉降和内力、上部结构位移等，这样可以更加便捷地分析上部结构、桩筏基础与地基三者之间的协同作用。

上部结构、桩筏基础和地基受力特性不同其分析模式也就不同。上部结构主要包括梁、柱、板等基础构件，因此可以采取类似梁的单元模拟方式。目前有关上部结构的分析研究比较成熟，一般是将上部结构视为等效荷载向量，并将其耦合到刚度矩阵上，与地基分析相比，上部结构的分析思路比较清晰，其参与机理也比较明确，处理起来也更加简单。桩筏基础分析与地基作用分析同属于一个层次上，桩筏基础一般由三个基础构件组成，其中一个构件尺寸较小，另外两个构件尺寸较大，大小构件尺寸比大于10。在桩筏基础筏板与桩土协同作用分析中主要采取薄板理论和厚板理论两大技术方法。薄板理论是分析桩筏基础的传统方法和经典方法，该方法忽略了筏板的剪切变形，也就是不予考虑剪应力变形，在厚度较大的筏板分析时可能产生一定的误差而影响分析结果。地基分析也称本构关系分析，主要研究地基土体在受力影响下的应力变化，它不仅能够直接反映地基基底反力的分布情况和沉降情况，而且其基底反力分析和计算更是解答协同作用的关键。因此，需要合理选择地基模型。

三 高层建筑桩筏基础协同作用应用实例分析

（一）工程概况

宏福家园住宅小区13栋为典型的高层建筑，层数为26层，建筑高度86m，单幢建筑面积为1.45万m2，设置地下室一层，建筑主体结构为钢筋砼剪力墙结构，安全等级为二级，设计使用年限为50年。桩筏基础为静压预制预应力钢筋砼管桩，地基土层为可塑状粉质粘土，桩端持力层为中风化或微风化灰岩。

（二）地质条件

宏福家园住宅小区位于熔岩地区，工程地质条件较为复杂，自上而下依次为粉质粘土、粉质粘土和中风化灰岩混合层和微风化灰岩，宏福家园住宅小区地质剖面图和地基岩土工程参数见图1。

图1 宏福家园住宅小区地质剖面图和地基岩土工程参数

（三）桩筏基础设计

桩筏基础设计包括两大内容，一个是工程桩设计，一个是筏板基础设计。工程桩设计不能简单地根据地质勘测结果测算，应当在基础底板测算距离的基础上引入入岩深度，并层层标注桩顶高度，为确保工程桩质量，需将小于层顶标高的基桩作为桩长设计依据。筏板基础设计需结合建筑上部结构荷载、整体建筑结构体系和地质条件等进行综合分析，核心问题是减小主楼与其外部框架之间的沉降差异性，因此可以参考变度刚调平设计原理不断优化筏板基础设计方案。

（四）协同作用分析及检测结果

该高层建筑主楼与单层地下室裙楼直接连接，根据广东省《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）中的相关设计参数标准，主楼与房柱之间的差异沉降不得大于跨度的0.1%。鉴于该处地质条件极为复杂，需严格控制主楼与房柱之间的差异沉降。结构采用有限元沉降计算法分析上部结构、桩筏基础与地基之间的相互作用，建模分析中需借助Embedded Pile单元模拟软件进行分析。通过检测结果可以得知工程沉降量符合规范要求，设计合理，已达到预期效果。

四 结论

本文主要针对高层建筑的桩筏基础协同作用进行了分析，并引入工程实例具体阐述其应用情况及应用效果，限于时间及经验的有限，本次研究并没有涉及上部结构的次生应力问题，有关上部结构、桩筏基础和地基的协作用研究还比较粗略，没有考虑到上部结构次生应力的作用，因此，下一步工作重点将着重分析上部结构次生应力的影响因素及变化规律。

参考文献

[1]褚江涛，魏俊涛. 变刚度调平设计在某超高层建筑桩筏基础设计中的应用[J]. 武汉勘察设计，2012，06：37-42.

[2]林树枝，郭天祥，冯新建，等. 两阶段变刚度桩筏基础承载力可靠度分析及其在高层建筑基础的应用[J]. 福建建设科技，2013，02：1-4.

[3]王媛，李伟强，孙宏伟. 厚层黏性土地基上某超高层建筑桩筏基础三维数值分析[J]. 建筑结构，2014，20：119-122+73.