新型桩筏基础在高层建筑中的应用研究

吴海兵

近年来，我国建筑行业发展迅速，大量工程项目不断兴起。20世纪70年代，Davis和Burland提出了“桩筏基础”的概念，此后，有大量的国内外学者针对桩筏基础开展了研究。Poulos和Yang对各国桩筏基础的研究状况进行了综述。随着高层建筑的日益发展，桩筏基础在我国有着广阔的应用前景。

一、工程概况

工程分东塔和西塔，均带有裙房与地下室，且地下连成一个整体。大地下室长约180m，宽110m，地下一层高6.0m，二层高5.4m。

工程东塔和西塔结构面高度均为173.8m。东塔长和宽均为44.0m，高宽比为3.95，核心筒尺寸为26.1m×14.5m（底部），筒的高宽比约为12；西塔长和宽均为44.0m，高宽比为3.95，核心筒尺寸为26.1m×14.25m（底部），筒的高宽比约为12.2。

二、桩筏基础有限元分析

1. 桩筏基础有限元模型

根据新型桩筏基础的设计思路，为了进一步验证该设计方法的可行性和可靠性，利用ABAQUS有限元分析软件，针对东塔桩筏基础进行有限元三维实体分析。分析模型平面尺寸为28.5m×28.5m。根据结构施工图，筏板厚度取2700mm，筏板材料为C40混凝土，剪力墙材料采用C60，混凝土材料按弹性材料考虑，不考虑塑性。

利用ABAQUS有限元分析软件建立如图1的三维实模型。其中有限元分析模型下部桩长取3倍桩径，即0.9×3=2.7m，上部剪力墙及框架柱向上凸出1m，墙顶标高为-9.5m。

荷载及约束：模型荷载采用PKPM/SATWE软件计算得到的恒荷载+活荷载（D+L）下的基本组合。对于分析模型的边界约束条件，桩端采用固定约束。

网格划分：对于有限元模型，控制整体网格划分尺寸为600mm，同时为了更精确地模拟应力集中处的应力状态，在局部把网格进一步细分，控制细分网格尺寸为100mm。结构有限元模型采用C3D8R单元（8节点三维实体单元）。

2. 桩筏基础有限元分析结果

（1）桩筏基础Mises应力云图

图1 桩筏基础Mises应力云图

图1 为桩筏基础Mises应力云图。由图1可得，就桩筏基础整体的Mises应力分布情况来看，较大的Mises应力分布在核心筒剪力墙底部和桩基顶部的附近区域；外围剪力墙下的筏板基础的应力和中心附近剪力墙下的筏板基础的应力，在离剪力墙相等距离处，前者的值要比后者的大、前者的分布范围要比后者的广。软件计算得到在D+L工况组合下基础最大Mises应力为19.7 MPa＜38.5MPa，发生在应力集中的剪力墙角部，材料处于弹性状态。

（2）筏板Mises应力云图

图2 筏板Mises应力云图

图2 为筏板Mises应力云图。由图2可得，就筏板的Mises应力分布情况来看，较大的Mises应力分布在核心筒剪力墙的附近区域，且外围剪力墙下的筏板应力比中心附近剪力墙下的筏板应力大，这与桩筏基础Mises应力分布情况是一致的。软件计算得到在D+L工况组合下筏板最大Mises应力为11.91 MPa＜26.8 MPa(C40混凝土抗压强度设计值)，发生在筏板与桩顶相交应力集中处。

（3）桩Mises应力云图

图3 桩Mises应力云图

图3 为桩Mises应力云图。由图3可得，就桩的Mises应力分布情况来看，较大的Mises应力分布在核心筒剪力墙下的桩顶区域，且外围剪力墙下的桩顶的Mises应力比中心附近剪力墙下的桩顶的Mises应力要大，这与桩筏基础Mises应力分布情况相符合。软件计算得到在D+L工况组合下桩最大Mises应力为17.34 MPa＜26.8 MPa(C40混凝土抗压强度设计值)。桩最大轴力为8342 kN。

通过以上分析，按照新型桩筏基础设计方法建立的计算模型，在恒荷载+活荷载（D+L）的基本组合下，桩筏基础的最大Mises应力为19.7MPa，筏板最大Mises应力为11.91 MPa，桩最大Mises应力为17.34MPa，且各项最大应力均未超过对应位置的材料的强度设计值；同时，可知桩的最大轴力满足设计要求。由此说明，这种新型桩筏基础的设计方法应用于本工程的实施是可行的且是可靠的。

三、结语

1.在桩筏基础设计时，对岩土工程勘察报告应仔细研读，结合实际的地质情况通过详尽的桩基比选，选择出最优的桩型。确桩型定后，根据上部结构受力状态，确定筏板的平面尺寸和厚度。

2.结合建筑平面布置，充分考虑施工条件的影响，桩筏计算分析模型应与施工过程保持一致。在出现计算分析与实际受力不符时，及时改进一般桩筏基础设计方法。

3.根据新型桩筏基础的设计方法，通过对基础进行有限元建模分析，分析结果符合设计要求，为该新型基础设计方法的适用性提供了一定依据。