对高层住宅建筑基础结构设计的探讨

陈础

（广州珠江外资建筑设计院有限公司）

1 引言

如今时代的进步，和人们生活水平的提高，建筑行业有着显著的发展。我国的高层住宅建筑已经越来越多，高层住宅建筑的建造也备受人们关注。高层住宅建筑的高度高、楼层多，施工时的面积也较小，这些特点使得它在施工时随着楼层越建越高，地基要承受的压力也越来越大，进而导致施工的难度逐渐地增大。所以就必须要严格的对高层住宅建筑的基础结构设计进行把控，以确保高层住宅的地基部分不会发生坍塌和建筑结构沉降等事故。

作为建筑工程，基础结构设计是最为基础的部分，下层基础与上层建筑有着直接的联系和影响。高层住宅建筑基础结构的安全性与其所在的环境因素也有极大的关系，所以在设计时也要把环境因素的影响充分的考虑进去。

2 基础结构的设计理论

高层住宅建筑的上部结构、基础以及建筑的地基结构构成了有着共同作用的系统。但因为缺少计算手段以及技术水平较低，使得在相当长的一段时期，为使得计算更为简便，便将这3个部分的相互作用给切断了，把上部结构与接触当做2个独立的部分来进行计算，即纯粹的将基础当做上部结构的一个底座，经过计算得到上部结构在基础连接点处作用的反力，再将反力作用在弹性地基的前提下来计算得到基础结构的内力。虽然这样做可以使得计算变得简单一些，却忽略了上部结构与基础之间的产生的共同作用，使得上部结构对基础结构有限制的作用被忽略了，这样的受力计算并未将基础结构实际党的不均匀沉降对上部结构导致的次应力计算在内，导致在一些部位上预估低了上部结构内力大小，使得以上结果缺乏可靠性；或者使得基础弯矩太大，导致设计的结构过于保守了。

2.1 上部结构的刚度的影响

若是上部结构是绝对刚度，出现地基变形之后，竖向构件只可能出现均匀下沉的现象，若是忽略不计竖向构件的抗转动能力，则它的支座能够看成是基础梁的不动铰支座，就是基础梁像将连续梁进行倒置，不会发生整体性的弯曲，但是会把基底作用的反力作为外加荷载，发生局部弯曲的现象。若上部结构为绝对柔性，则这样的结构对于地基变形不会有一点约束，导致基础梁在发生局部性的弯曲时也受到较强的整体性的弯曲。以上所述的两种基础梁内力大小以及分布状态有较不小的差异。而工程上结构实际是介于上述两类情况之间，必须利用计算分析软件对整体刚度的变化进行充分的考虑。在确保基础结构、地基和载荷条件恒定的前提下，上部结构的刚度变大，基础的应力和相对挠曲则减少，与此同时，上部结构的内力变大。

2.2 地基条件造成的影响

上部结构和基础的受力是由所在区域的地基土的均匀性和可压缩性决定，若是工程的施工处的地基土并不能压缩的时候，例如该区域在岩石层上，基础结构不会有整体性的弯曲，而且有且仅有极弱的局部性的弯曲，这样上层结构就不可能由于不均匀的沉降而导致次应力的发生。但实际的施工场地的地基土大多数是可以被压缩的，并且大都是不均匀的分布，如此便会使得基础结构各个区域的弯矩分布完全不同，地基和基础的接触部分也有可能发生摩擦。由于有土层自身的强度不高，能够提供的摩擦力比较小，通常不大于土层的抗剪强度。此外，摩擦力也有可能被孔隙水压力影响。此外，比如土壤的蠕变、基础结构的相对柔度以及外荷载的分布情况都会给界面条件造成影响。所以对于摩擦给界面造成影响的预估，应由完全的光滑至完全的黏着来进行，避免出现大的错误。

2.3 高层住宅建筑上部结构与基础、地基共同作用的分析

上部结构、基础、地基三者组成一个整体，计算分析高层建筑的受力情况就必须要考虑这三者的共同作用。在接触点和连接点都符合变形协调的前提下，对整个系统的内力和变形进行求解。在分析它们三者共同作用的过程中，基础结构和上部结构一般是梁和板构成的，可以利用有限单元法、有限条法和有限差分法来对它们进行刚度矩阵的构建，并把变性协调条件和刚度矩阵耦合起来。地基施工时第一步必须选择正确的地基模型，目前来说，通常说的地基模型有三种：线弹性、弹塑和非线弹性地基模型。再采用上述的三种方法进行地基刚度矩阵的构建。但实际工程上，如今多数用的是结构力学的办法进行地基柔度矩阵的建立，再计算求其逆矩阵来获得刚度矩阵，最后用计算得到的刚度矩阵和上部结构、基础结构的刚度矩阵进行耦合，得到沉降与作用的反力。在那三者共同作用的分析过程中，也能够一同对基础和上部结构实际的刚度进行分析，把施工工程产生的影响也充分的考虑到，再把结构荷载与刚度形成两者先分开考虑再共同进行分析。

3 高层建筑基础设计中的问题

3.1 保证荷载可以可靠地传递

基础结构需要有够大的强度与刚度，以保证可以将高层建筑的上部结构对基础结构顶面施加的水平和竖向荷载以及力矩传导至地基土层。

3.2 减少不均匀的沉降

基础是夹在地基土层和上层结构中间的结构，其大小、刚度和平面上的分布，对缓解局部或整体性的弯曲与不均匀沉降有着很大的影响。例如：若是条形基础结构无法符合承载力和变形的标准或若是建筑需要基础结构来对不均匀沉降进行调节时可以换用筏形基础。若是地基土较为均匀，筏形基础基底平面的形心应该和上部结构的竖向永久荷载的重心相重合。图1是筏形基础的一般形式。

图1 筏形基础的一般形式

3.3 强化健全高层住宅建筑结构体系的建设

建立起一个好的建筑结构体系是建筑工程中十分重要的一个环节，所以在实际工程中，一个合理完整的高层住宅建筑基础结构体系的建立可以很大限度的避免诸多被忽略的施工问题。一般来说，若是有好的建筑结构体系，高层建筑就能够适应一直在改变的竖向压力造成的影响。但因为实际生活中承重墙的分布杂乱以及其他诸多的问题，导致建筑结构体系还必须要去不断地强化健全。

4 案例分析

4.1 案例描述

广东的某高层住宅建筑由4栋塔楼组成，地上25层的楼层，地下有两层。总体的建筑面积大约是42311m2，塔楼的高度全部是79.20m。本次施工建筑的结构安全等级为二级，结构设计的使用寿命约50年，基本的风压0.50kN/m。

4.2 方案设计

本工程的塔楼高79.2m，与以前的施工经验和建筑专业对内部空间与户型布局的标准相结合，采用剪力墙结构。构件的精细化设计除了汇总在最近这些年的众多房地产工程中已成功的执行以及应用的全面的结构设计的统一办法之外，与本工程实际的情况相适应，还添加了更加详细的构件设计办法来实现优化目标。

（1）按照《混凝土规》的11.3.6条规定，三级抗震箍筋加密区的最大间距为min{8d，h/4，150}。按照这条规定，500和500梁高，在符合计算标准的基础上，加密区箍筋的最大间距取120。

（2）依据《混凝土规》的6.3.1条规定，梁的腹板高度hw为有效高度h0抛去板的厚度。按照该条规，本工程的550高梁可以不配腰筋。

（3）按照《混凝土规》的11.3.7条规定，沿梁全长顶面和底面最少需要各配置两根通长的纵向钢筋，对三、四级抗震等级，钢筋直径不应小于12mm。根据此规定，本工程的框架梁的贯通筋使用的是分离式，在符合计算要求的基础上，贯通面筋取为12mm。

（4）按照《省高规》的7.2.15条规定，剪力墙的竖向分布筋的直径不应该小于10mm。这项工程采用8/10的办法。

（5）按照工程前期探测的实际的情况，这次工程的土质依次是素填土、中砂、淤泥质粉质粘土、粉质粘土以及中砂等等。依据这个区域的以往经验，建筑的基础形式可以选用钻孔灌注桩或者预制桩。对工程的施工顺序进行了综合性的考虑，综合考虑了工期以及造价的要求等，本次的工程选用了PHC管桩的基础。

5 结束语

随着时代的进步和社会的发展，建筑行业取得了显著的进步。如今的高层住宅建筑基础结构设计更是受到了社会的广泛关注，高层住宅建筑的结构基础不但要有着足够的安全性和稳定性，还需要有不断地优化和创新，不断的完善。基础结构在高层建筑中的作用越来越重要，但是其设计还受到各种外界因素的影响，例如上部结构以及地基土等等因素。在进行设计时还要充分的考虑到地基、上部结构和基础三者的共同作用，全面而又综合的设计考虑能够使工程施工工程中避免众多潜在的麻烦。此外，设计人员的专业修养也会对设计造成影响，扎实的专业基础和良好的责任心会使基础结构的设计遇到的困难迎刃而解。高层住宅基础结构的设计使整个工程设计的关键环节，建筑公司应重视这一环节，认真做好自己的工程项目，一起为建筑业的发展做出自己的贡献。