高层建筑地基基础概念设计

摘要：高层建筑基础作为高层建筑结构设计的一个非常重要的部分，在进行地基基础设计时除了考虑本身的强度和刚度外，还应考虑上部结构体系、地理环境条件、施工条件及周边环境因素，才能设计出既安全又经济的基础形式。

关键词：结构设计 高层建筑 基础设计概念设计

前言

概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，根据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体角度来确定建筑结构总体布置和抗震细部措施的宏观控制。它要求在设计过程中始终贯穿和应用结构概念，是一种定性而非定量的分析，是整体宏观控制和细部构造措施，设计原理和工程实践经验相结合的设计思想。在方案设计阶段就运用概念设计的思想是非常必要和及时的，而且要将它贯穿应用于整个设计过程，才能为建筑结构的安全性、可靠性、适用性和经济性提供有力的保证。本文论述了概念设计在高层建筑基础设计中的应用。

一、筏型基础的设计理论

随着城市的发展,高层建筑的地下室一般都被用作地下车库的使用空间。所以设计人员往往倾向于采用筏型基础，而不愿意选择纵横内隔墙较多的箱型基础。筏型基础又可分为梁板式筏基和平板式筏基。

计算筏板基础时，常用的方法有“倒楼盖”法、静定法(截面法)、弹性地基梁板方法和有限元分析方法。“倒楼盖”法和静定法都是一种简化计算方法。按“倒楼盖”法进行基础设计时，要求地基土比较均匀、筏板基础的刚度较大、上部结构刚度较大、柱轴力及柱距相差不大、荷载分布比较均匀；按静定法计算的要求与“倒楼盖”法大部分相同，只是静定法适用于上部结构刚度较小、柱轴力及柱距相差较大的情况。用上述两种方法计算的缺点是不能考虑基础的整体作用，也无法计算挠曲变形,“倒楼盖”法夸大上部结构刚度的影响，静定法则完全忽略了上部结构刚度的影响。当不满足上述要求时应按弹性地基梁板计算。近年来,随着计算软件的进步，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到广泛运用，该分析法基础按弹性地基上板考虑，地基模型一般采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型,常用数值分析方法为有限元法、有限差分法等，其中有限元法较为常用。

二、桩筏复合基础的设计理论

《建筑地基基础设计规范》第8.5.14条规定，桩基设计时,应结合地区经验考虑桩、土、承台的共同工作。相关规范对桩筏复合基础的计算方法并未做出统一规定，采用的计算方法也不尽相同，多根据当地情况和经验确定，大致有以下两种计算方法。

1、假定整个建筑物和重量全部由桩传到地基中去，而承台板只起连接桩顶和传递上部荷载的构造作用。在群桩布置中使桩的受力均匀，桩群形心与上部结构传给基础的荷载重心尽量重合。当群桩数量较多时，采用了“外密内疏”的内桩方法,即适当减少群桩中部的桩数而增加桩数。应该说，这种方法主要以桩受力为主，这种情况下，没有考虑承台板基础的支承力,将会增加桩的数量，造成浪费。

2、发挥桩土的共同承载作用，利用天然地基的承载力，采用控制沉降的方法将上部荷载由桩和筏板共同互补承担，使桩的数量及筏板厚度得以减少。

建筑物的沉降一般分为沉降量和沉降差。减沉设计是控制沉降而设置桩基的方法。也即是在设计时由基础的沉降控制值来确定桩数和桩长。减沉设计概念主要应用于软土地基上多层或小高层建筑的基础设计中，桩在基础中除承担部分荷载外主要起减少和控制沉降的作用，桩可视为减少沉降的措施，或作为减少沉降的构件来使用。同时，承台或筏板也能分担部分荷载，与按桩承担全部荷载设计的桩基相比，根据不同的容许沉降量要求，用桩量有可能减少，桩的长度也可能减短，因而可达到降低工程造价的效果。

3、减沉设计的内容

（1）桩长及桩身断面选择。选择桩长应尽可能穿过压缩性高的土层，桩端置于相对较好的持力层。在承台产生一定沉降时桩仍可充分发挥并能继续保持其全部极限承载力：选择桩身断面应使桩身结构强度确定的单桩容许承载力与地基土对桩的极限承载力二者匹配，以充分发挥桩身材料的承载能力。

（2）承台埋深及其地面尺寸的初步确定。首先按外荷载，全部由承台承担时其极限承载力仍有一定安全储备的原则，先初步确定承台的埋深及其底面尺寸，然后确定减沉设计的用桩量,再验算承台的初步尺寸，并给予调整。

（3）不同用桩数量时桩基沉降计算。根据初定的承台埋深及其底面尺寸，原定若干种不同的用桩数量方案，分别计算相应的沉降量，从而得到沉降s与桩数n的关系曲线图，减少沉降桩基础的桩距一般应大于6 d,桩的分布与建筑物竖向荷载相对应。

4、减沉设计的基本原则

（1）设计用桩数量可以根据沉降控制条件，即允许沉降量计算确定。根据沉降s与桩数n关系曲线,按建筑物容许沉降量确定桩基实际所需的用桩数量。在用桩数量确定后，再按已经选定的桩数和初步确定的承台埋深及底面尺寸计算其极限荷载，验算安全系数或调整承台埋深及底面尺寸，以确保合理的安全度。减沉桩基础桩距较常规桩筏基础布桩要大，一般至少大于4倍~6倍桩径，故其介于天然地基浅基础与桩基础之间。

（2）基础总安全度不能降低，应按桩、土和承台共同作用的实际状态来验算。因而减沉桩基础也称之为控制变形疏桩基础。对于减沉桩筏基础的沉降计算则应结合当地经验考虑桩同作用。

（3）为保证桩、土、和承台共同工作，应采用摩擦型桩，使桩基产生可以容许的沉降，承台不致脱空，在桩基沉降过程中充分发挥桩端持力层的抗力。在上部土层为松软土质、次固结土以及承载力太低土组成时，桩与桩间同作用得不到保证时，就不能考虑桩与桩间同作用，而应该按现行桩基设计。

在共同工作分析中要重视的问题是如何根据共同工作分析的成果优化设计，而优化设计的关键乃是尽量减小沉降差，从而降低筏板内力和上部结构次应力，减小筏板厚度和配筋,提高桩筏基础的可靠性。为此，提出变刚度调平设计的概念和方法。这也是发展控制变形设计的一个重要内容。

三、变刚度调平设计

1、变刚度调平设计的内容

对无限大地基上的局部区域，其沉降应与该区域的荷载成正比，而与其刚度成反比。地基局部区域沉降较大，是该处荷载较大而刚度较小所致。削减该处的荷载或增大该处的刚度就可以减少该处的沉降。

高层建筑桩筏基础的荷载分布是由上部结构确定的。而上部结构由于受到功能的限制，一般很难进行调整。只能调整基础的刚度，对于桩筏基础，可通过变化板厚、设置肋梁,缩小墙距等调整基础刚度分布。但费用往往很高，因此减少某处的沉降或进行调平设计主要是针对筏底布桩与筏底地基土。调整地基桩土刚度分布不仅可行而且调平效果显著，是变刚度调平设计的中心内容。变刚度调平设计考虑上部结构形式、荷载和分层分布以及相互作用效应,通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布，以使建筑物沉降趋于均匀、承台内力降低的设计方法。

2、变刚度调平设计的步骤

（1）根据设计资料，按上部结构的性质、荷载分布情况、地质条件、基础埋置深度等进行初始布桩并确定板厚。

（2）对上部结构、桩筏基础与地基共同作用进行分析，绘制基础沉降图形。

（3）对基础沉降图形进行分析，按“强化主体,弱化裙房”的原则进行设计。当天然地基总体沉降不大而局部沉降过大时，根据具体条件，对主体沉降过大部分采用局部加强处理。如采用筏底布桩或复合地基,在桩基沉降较小部位，应抽掉一部分桩；或视土层情况适当缩短桩长或减小桩径。对沉降较大的部位,应适当加密布桩或视土层情况,适当增加桩径桩长，重新形成刚度体系。是改变桩的平面布置、桩数、桩长、桩径以改变桩土刚度,还是采用复合地基改变筏底地基土和桩―土界面的性质,选择的标准只能是根据技术可行性与经济合理性。一般来讲，对桩筏基础，桩在基础中占主导地位，改变基桩的参数效果显著。

（4）进行共同工作迭代计算,直至沉降差减到最小。在此过程中，可根据沉降图形，判断主裙楼间是否设置后浇带或沉降缝，是否需对基础板厚和构造进行调整等。显然,调平设计的关键在于合理地计算桩筏基础的沉降分布与沉降差。

3、变刚度调平设计的优点

减小核心筒冲切力，降低承台整体弯矩；优化承台设计，降低造价；减小地基差异变形，降低上部结构刚度次应力，提高耐久性；合理发挥桩、土、承台共同作用。过去人们一直认为：与承载力计算相比，沉降计算更困难且更不可靠。其实，如果采用恰当的数学模型、最大相互作用间距等，利用简化分析方法足以达到工程目的。调平设计的沉降分析比减沉设计的要求更高。不过，随着计算软件的发展,现在很多沉降分析计算程序都可以做到。

结语

对于实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，可以运用优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的，弥补现行结构设计理论与计算理论之间存在的某些缺陷或不可计算性。