高层建筑结构筏板基础设计方法探讨

黄久来

摘要：文章分析高层建筑基础的类型及高层建筑基础的埋置深度需要考虑的因素，探讨高层建筑结构基础的设计方法，以供参考。

關键词：高层建筑结构;筏板基础;安全;经济;合理

近年来，随着我国经济建设形势及科技的迅猛发展，高层建筑的建设呈现出数量大，层数多，结构体系新颖，计算理论和施工方法不断更新的趋势。高层建筑的受力复杂，对基础的强度、刚度和稳定性的要求也更加严格。基础工程的设计与施工对高层建筑本身及其周围环境的安全至关重要，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。在各种复杂的地质条件下建造高层建筑，首先必须经济合理地做好基础设计。

一、高层建筑基础的类型

高层建筑结构的基础设计，应综合考虑上部结构的类型、整体性和结构刚度、地基土条件、抗震设防要求、施工技术、周围建筑物和环境条件等各方面因素。一般情况下，高层建筑宜优先选用整体性较好的箱形基础和筏板基础。当层数少、高度不太高、地基情况较均匀时，可考虑采用交叉梁式基础。高层建筑通常不宜采用独立柱基础。当地基承载力不足、沉降量大时，可采用箱形基础、筏板基础与桩基础组合而成的桩筏基础。高层建筑直接建造在基岩上时，可考虑采用条形基础或单独基础。裙房层数少、荷重轻、面积大，当不需要设置地下室时，可采用交叉梁基础和加拉梁的独立基础。

二、筏板基础埋深及承载力的确定

城区由于用地紧张，高层建筑密集，因此需设置车库、人防工程、设备用房和水池等地下室，并由其使用功能要求决定地下室的层高和层数，这就基本确定了基础底板的埋置深度，然后，根据该深度结合建筑场地的岩土工程特点进行基础选型，研究选择天然筏板基础的可能性。由于地下室具有一定的埋深及地区的地下水位较高，天然筏板基础属于补偿性基础，因此地基的确定有两种方法：一是地基承载力设计值的直接确定法。它是根据地基承载力标准值按照有关规范通过深度和宽度的修正得到承载力设计值，并采用原位试验（如标贯试验、压板试验等）与室内土工试验相结合的综合判断法来确定岩土的特性。二是按照补偿性基础分析地基承载力。

例如：某栋地上28层、地下2层（底板埋深l0m）的高层建筑，由于将原地面下l0m 厚的原土挖去建造地下室，则卸土土压力达180Kpa，约相当于l1层楼的荷载重量;如果地下水位为地面下2m，则水的浮托力为80Kpa，约相当于5 层楼的荷载重量，因此实际需要的地基承载力为l4 层楼的荷载。即当地基承载力标准值f≥250Kpa 时就能满足设计要求，如果筏基底板适当向外挑出，则有更大的可靠度。

三、筏板基础的可行性分析

高层建筑能否考虑选定筏板基础，主要应对以下3个方面进行验算：

1、基础埋深的确定。高层建筑一般均设有地下室，所以筏板基础的埋置深度往往取决于建筑高度、地下室层数及层高，如果建筑物的抗倾覆力能满足要求，就可根据该深度结合下卧土层的岩土工程性质，进行筏板基础的天然地基承载力及沉降计算，以确定其是否可行。

2、沉降计算。沉降计算是地基验算的重要组成部分，它不仅影响建筑物的可使用性，而且在筏板基础的结构设计中起重要作用。在实际设计中，工程师往往对确定地基承载力有较大把握，而在地基变形的计算上却难以把握。笔者认为，虽然目前未能从理论上对地基的变形进行精确计算，但只要能对变形的计算参数合理取值，选用合适的计算方法，并根据地区经验作出修正，就仍能获得与实际情况较接近的总沉降计算值，以保证结构设计的安全性。

3、基础方案的确认：根据上部建筑结构布置具体情况、岩土勘察报告的结果、结构计算分析、经安全经济比较，确认所选基础适应上部结构、符合使用要求（如地下室使用功能-车库、人防、商场等）、满足地基基础要求以及技术经济上合理。在内力分析时应采用合理的计算方法，对于地基比较均匀、筏板基础和上部结构刚度相对较大、柱轴力及柱距相差不大时，可以采用简化计算方法，其最基本的特点是将由上部结构、基础和地基3部分构成的一个完整的静力平衡体系，分割成3个部分，独立求解计算简便。其缺点是完全不能考虑基础的整体作用，也无法计算挠曲变形，夸大上部结构刚度的影响。当上部结构复杂、结构整体刚度小、地质条件不利时，应把上部结构、基础和地基三者作为一个共同工作的整体加以分析。通过上部结构与基础、基础与地基连接界面处变形协调，使整个体系符合静力平衡。对于筏板基础，由于考虑了上部结构的贡献，使其整体弯曲变形和内力减小，而取得较为经济的效果;对于上部结构，由于考虑了因基础变形引起的变形，其变形将使上部结构产生附加应力，考虑了这种附加应力，结构设计将更安全。

四、影响基础板厚的因素

1、基础沉降的不均匀性。荷载分布和地基岩土的不均匀性势必导致基础的不均匀沉降。除沉降无法控制在允许范围内，需对较软弱的地基应进行加固处理外。一般情况下可以采用加大板厚以增加基础底板的刚度的办法来调整

2、基础与地基岩土的相对刚度。规范规定筏板基础的板厚由抗冲切和剪切来确定，而在抗冲切验算时必须减除冲切范围内的反力，基础与地基岩土的相对刚度对该反力的大小有一定程度的影响，当基础相对地基岩土有较大的刚度时，该反力会相对较小，因而由抗冲切确定的板厚会相对较大，反之基础板厚会相对较小。

3、柱或剪力墙的位置。由于基础边缘的地基反力通常比中间大，因此当柱底具有相同的轴力及冲切面积时，缘于基础与地基岩土的相对刚度对基础板厚影响的同样道理，基础边缘的柱或剪力墙抗冲切确定的板厚会相对较大。这时，可将柱或剪力墙处一定范围内的基础底板适当加厚，以满足抗冲切的要求。

五、结构设计注意的问题

1、应尽量使上部结构的荷载合力重心与筏基形心相重合，从而确定底板的形状和尺寸。当需要将底板设计成悬挑板时，要综合考虑上述多方面因素以减小基础端部基底反力过大而对基础弯距的影响;

2、底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定。柱网间距较大时可在柱间设置加强板带（暗梁加配箍筋）来提高抗冲切强度以减少板厚，也可采用后张预应力钢筋法来减少混凝土用量和造价。决定板厚的关键因素是冲切，应对筏基进行详细的冲切验算;

3、无肋梁筏板基础的配筋可近似按无梁楼盖设柱上板带和跨中板带（倒楼盖法）的计算方法进行，精确计算可用有限元法;对肋梁式筏基，当肋梁高度比板厚大得较多时，可分别计算底板和肋梁的配筋，即底板以肋梁为固定支座按双向板计算跨中和支座弯矩，并适当调整板跨中和支座的配筋;

4、构造配筋要求：筏板受力筋应满足规范中0.15%的配筋率要求，悬挑板角处应设置放射状附加钢筋等。设计人员往往配置受力钢筋有余，构造钢筋却配置不足。

六、结束语

高层建筑基础选型是整个结构设计中的一个重要组成部分，直接关系到工程造价、施工难度和工期，因此应认真研究场地岩土性质和上部结构特点，通过综合技术经济比较确定。高层建筑的基础选型应因地制宜，除基础应满足现行规范允许的沉降量和沉降差的限值外，整体结构应符合规范对强度、刚度和延性的要求，选用何种基础形式不是绝对的，而安全可靠、经济合理才是基础选型的标准。

参考文献：

[1]李国胜.简明高层钢筋混凝土结构设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1995.

[2]袁聚云，李镜培，楼晓明等.基础工程设计原理.上海：同济大学，2001.

[3]阳吉宝，仁臻，带裙房的高层建筑基础的优化设计.土木工程学报.1998，（10）.

[4]倪光乐，李成明，苏克之.弹性矩形板与弹性地基共同作用的简化计算法.岩石力学与工程学报.2000.9.