1、高层结构基础设计之我见【摘 要】伴随着我国经济与科技的快速发展，各个城市中的高层建筑也在逐渐增加，随着高层建筑的建筑高度的不断增加，建筑类型与功能愈来愈复杂，结构体系更加多样化，高层建筑结构设计也越来越成为建筑结构工程师的重要工作内容。 【关键词】案例；基础设计；结构分析与计算 1、工程概况 笔者翻阅了大量的资料，以某工程为例，总建筑面积 36126m2，其主楼地下 1 层，地上 17 层，建筑总高度 59.500m，其裙房地下 1 层，地上3 层，建筑总高度 14.700m，室内外高差均为 0.300m。该建筑地下 1 层，层高 5.6m；均为地下车库、人防及设备用房；地上 1 层3 层为商
2、业用房，6 层17 层为公寓用房，层高 3.1m，商业用房层高 4.8m，主楼平面为 32.6m42.2m，主楼与裙楼之间采用沉降缝分开。主楼结构的设计使用年限为 50 年，建筑抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度为0.15s，设计地震分组为第二组，建筑抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为甲级。基本风压采用 100 年重现期的风压值 S=0.45kN/m2，地面粗糙度类别为 C 类，建筑耐火等级为一级。 2、地基及基础设计 2.1 程地质情况 根据地质勘察报告，地层深度 6.0m 以上为 Q4 沉积的粉土及粉质黏土层，6.0m11.0m 为 Q42 静水相或缓流水相沉积的粉土及粉质黏土
3、层，11.0m17.0m 为 Q；沉积的粉细砂及粉土层，17.0m53.0m 为 Q3 沉积的粉质黏土层，53.0m80.0m 为 Q2 沉积的黏土层。地下水位埋深约2.5m.5m，水位年变化幅度为 0.5m1.0m，地基抗浮设计水位为1.2m。地下水对混凝土没有腐蚀性，但对干湿交替条件下钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性。场地地基土不具液化性。场地土类型为中硬场地土，建筑场地类别为类。建筑场地属抗震有利地段。根据地质勘察报告建议，地基采用钻孔灌注桩或静压预制管桩及高压喷射注浆法处理地基。 2.2 地基及基础设计 经过多方案技术分析比较，我们建议建设单位采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）法进行地
4、基处理，并采用平板式筏形基础。随后地质勘察单位又补充了相应的岩土勘察资料，提供了 CFG 桩复合地基处理设计承载力及变形参数。水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）法适用于处理黏性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。本工程主楼标准组合下基底平均反力为 460kPa，准永久组合下基底平均反力为 410kPa。地基持力层为第层粉细砂，地基承载力特征值为 250kPa。设计选取 CFG 桩桩径400mm，CFG 桩端持力层为第层粉质黏土，地基承载力特征值为320kPa，该层下无软弱下卧层，有效桩长 16m，桩采用梅花形布置，桩间距 1400mm1400mm，桩身立方体抗压强度平均值大于 18MPa。施
5、工后经有资质的检测单位检测，处理后的复合地基承载力特征值为 540kPa（相应的单桩承载力特征值为 630kN） ，复合地基平均沉降量小于 40mm，检测结果均满足设计要求。 3、结构分析与计算 3.1 结构整体计算的软件选择 目前比较通用的计算软件有：SATWE、TAT、SAP 等，但是，由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件，并从不同软件相差较大的计算结果中，判断哪个是合理的，这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。如果选择了不合适的计算软件，不但会
6、浪费大量的时间和精力，而且有可能使结构有不安全的隐患存在。 3.2 是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响 该部分内容实际上在新老规范中都有提及，只是，在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。 3.3 振型数目是否足够 在新规范中增加了一个有效质量系数的概念，并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中，并未提出有效质量系数的概念，或即使有该概念，该参数的限值也未必一定符合新规范的要求，因此，在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断，并决定是否要调整计算振型数的取值。 3.4 多塔之间各地震周期的互相干扰，是否需要分开计算
7、 一段时间以来，大底盘，多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大，就有可能出现即使有效质量系数满足要求，但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然较大，从而使结构出现不安全隐患。 3.5 非结构构件的计算与设计 在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求而非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这构件尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大，因此，必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。 4、地基结
8、构设计 4.1 基础类型的选择和设计 1）主体结构优先采用刚性条形基础，例如灰土条形基础、Cl5 素混凝土条形基础、毛石混凝土条形基础和四合土条形基础等。在基础宽度大于 215 厘米的时候，应采用钢筋混凝土扩展基础，也就是柔性基础。当出现多层框架结构，无地下室、地基较差、荷载过大的情况时，为了增强整体性需要减少不均匀沉降，这时需采用十字交叉梁条形基础。在此基础上还不能满足地基基础强度和变形要求，而使用桩基和人工地基也不合适，就只能采用筏板基础（分为有梁和无梁两种） 。另外框架结构、有地下室且上部结构对不均匀沉降要求严格、防水要求高、柱网要求均匀，便可采用箱型基础，柱网不均匀时，就采用筏板基础。
9、 2）有地下室，无防水要求，柱网、荷载较均匀，地基较好的条件下，应选用独立柱基，抗震设防区加柱基拉梁，或使用钢筋混凝土交叉条形基础或筏板基础。与之相反，在无地下室，地基较差，荷载较大的条件下，柱下可选用交叉条形基础并与墙下条基连结在一起，以加强整体性，若还不能满足地基承载力或变形要求，可采用筏板基础。另外剪力墙结构不论无地下室或有地下室，无防水要求，地基较好，都宜选用交叉条形基础。 3）有防水要求时，可选用筏板基础或箱形基础。高层建筑一般都设有地下室，可采用筏板基础。如果地下室设置有均匀的钢筋混凝土隔墙时，采用箱形基础。当地基较差，为满足地基强度和沉降要求，可采用桩基或人工处理地基。无论采用何
10、种基础都要处理好基础底板与地下室外墙的连结节点构造。框剪结构无地下室、地基较好、荷载较均匀，可选用单独柱基、墙下条基，抗震设防地区柱基下设拉梁并与墙下条基连结在一起。 4.2 大型基础设计中的桩基础和后浇带的设计 当天然地基或人工地基的地基承载力因变形不能满足设计要求，或者不能满足经济采用要求时，可采用桩基础。以下列述桩平面的布置原则：桩顶受荷均匀，上部结构的荷载重心与桩的重心相重合，群桩在承受水平力和弯矩方向有较大的抵抗矩。纵横墙交叉处都应布桩，横墙较多的多层建筑在横墙两侧的纵墙上布桩，门洞口下面不宜布桩。同一结构单元不应同时采用摩擦桩和端承桩。大直径桩宜采用一柱一桩：筒体采用群桩时，在满足桩的最小中心距要求的前提下，桩宜尽量布置在筒体以内或不超出筒体外缘一倍板厚范围之内。在伸缩缝或防震缝处可采用两柱共用同一承台的布桩形式。剪力墙下的布桩量要考虑剪力墙两端应力集中的影响，而剪力墙中和轴附近的桩可按受力均匀布置。 5、结语 综上所述，高层建筑基础承担着将高层建筑上部结构的荷载传递给地基的重要作用，在设计时，应将高层建筑结构、基础与地基协同考虑，以实现基础和地基的共同作用。
