高层建筑基础支护结构设计方案

摘要：高层建筑在我国的工程建设中越来越普遍,而高层建筑基础设计时除了保证基础本身应具有足够的强度和刚度外，还应考虑支护结构的安全。本文结合具体的工程实例，探讨高层建筑地下主体结构的支护结构设计方案。

关键词：高层建筑；支护结构；水平支撑；竖向支撑

在地下大空间的开发日益受到人们重视、尤其是在商业繁华地带大空间更被迫切需要的今天，地下停车场、地下商场、地下歌舞厅等需要地下大空间的高层建筑，若采用箱基础，则其纵横墙将地下分格成许多小空间，虽然结构整体刚度好，但无法满足大空间要求。因此，如何在保证基坑工程安全和合理满足周边环境保护要求的前提下，尽可能降低基坑临时支护结构的工程量并尽可能方便工程施工加快施工进度，成为目前深基坑工程设计的主要研究方向之一。本文探讨对带有裙房的超高层建筑基坑工程则大多采用地下主体结构与支护结构相结合的基坑支护工程设计，施工取得了较好的效果。

1.基础选型的主要依据

在基础工程设计中，根据各地区不同的地质条件，选择合理的基础形式，是个关键问题。一般情况下应考虑以下条件；高层建筑基础首先应满足基础本身的强度要求，上部荷载分布应尽量均匀；基础应支承在较坚固或较均匀的地基上，应考虑持力层及其下卧层的整体稳定性，同一栋建筑不宜采用多种不同类型的基础形式；应满足建筑物使用上的要求，例如人防要求、设置地下车库、地下酒吧、地下商场、地下餐厅等要求；应满足构造的要求，如高层建筑箱基的埋深、高度，基底平面形心与结构竖向静荷载重心相重合，对偏心距的要求、沉降控制等；根据上部结构的不同结构形式选配合理的基础形式；高层建筑基础，一般埋置较深，因此，应考虑深基坑开挖和地下水抽排对周围建筑物的影响，以及地下水造成施工难度的增加和对工程质量的影响。

2.案例分析

2.1工程概况

某主楼建筑总高度为239m，地下3层，地上46层；裙房4层。主楼采用框架-核心筒结构体系，地下一层及二层结构梁板采用钢筋混凝土结构，一层采用钢骨混凝土梁及钢筋混凝土楼板，主楼桩基采用桩端后注浆钻孔灌注桩，桩基承台采用厚板式承台，主楼底板厚度为3.5m，裙房底板2.0m。基坑开挖深度：主楼17.35m，裙房15.85m。由于基地地处陆家嘴金融中心，周边高层建筑、地下管线众多，环境保护要求高。

本工程场地地势较平坦，场地表层填土分布广，厚度大。杂填土遍布，基坑东边界地段和南边界的杂填土和素填土，厚度达3.0m。本工程场地存在粘质粉土，土质不均，粉性砂性重，渗透性强。本场地埋深约37m下存在第7层为承压含水层。

2.2支护结构设计总体方案

2.2.1方案选择

本基坑支护设计方案阶段进行多方案的技术经济分析比较，主要有两种：

1）采用设置临时基坑支护结构的设计方案，顺作法施工，采用钻孔灌注桩结合外侧SMW工法水泥土搅拌桩止水帷幕作为临时围护结构，坑内设置三道临时钢筋混凝土支撑，支撑采用对撑及角撑布置，并结合坑内地基加固的设计方案；2）采用超高层建筑地下主体结构与支护结构相结合的深基坑设计方案，逆作法施工，采用地下连续墙作为围护结构，利用地下主体结构的梁板作为支护结构的水平支撑，利用结构柱和桩承受施工期间的竖向荷载，原则上采用一柱一桩钢立柱型式，并结合坑内地基加固的设计方案。

2.2.2设计思路

经综合研究分析，最后确定采用超高层建筑地下主体与支护结构相结合的深基坑设计方案，地下各层梁板结构采用由上而下的逆作法施工方式。施工阶段为方便土方工程施工，加快施工速度，方便主体结构施工，保证主体结构的工程质量，核心筒体采用顺作法施工方案，因而可以利用核心筒部位以及车道部位作为逆作法施工的出土口，便于土方工程施工，这种施工方法较为文明，节约材料，且基坑围护结构变形较小且经济效益十分显著。地下连续墙厚度为1.0m，主楼和裙房区域地墙槽段有效长度分别为34.0m和30.35m。鉴于地质条件的特殊性，对地下连续墙两侧采用水泥土搅拌桩进行槽壁加固。

2.3支护结构设计具体方案

2.3.1水平支撑设计

利用地下主体结构的梁板作为基坑开挖阶段的水平支撑，其支撑刚度大，对水平变形的控制极为有效，同时也避免了临时支撑拆除过程中围护墙的二次受力和二次变形对环境造成的进一步影响，最大的优势在于避免了大量临时支撑的设置和拆除，对于资源的节省和环境的保护意义重大。本工程利用地下主体结构共设置四道水平支撑，其中地下室顶板、地下一层梁板、地下二层梁板分别为第一、二、三道水平支撑，其中第四道支撑为设置在底板。在逆作法施工过程中，利用主体结构梁板作为开挖阶段时的水平支撑必然承受较大的水平力，这种在水平力作用下梁板结构的受力分析在必须考虑梁板结构的相互作用，由于基坑四周与围檩长度方向正交的水平荷载为不均匀分布，支承刚度在平面内分布也不均匀，为避免模型整体平移或者转动，必须设置必要的边界条件限制其平面内的。刚体运动。通常可采用三种计算边界条件：1）在局部设置固定支座；2）法向弹簧支座边界，法向弹簧边界是一种工程经验方法，也是空间杆系模型分析时经常采用的边界条件；3）切向弹簧边界，切向弹簧边界的弹簧刚度系数按照地墙与土体之间的摩擦阻力的刚度确定，采用功能强大的有限元分析软件ANSYS分析水平荷载较大的地下一层梁板不同的边界条件下梁板结构的内力和变形特性。

由于本工程主楼和裙房底板厚度相差2m，如何利用底板厚度差异在地下室底板内部设置第四道钢筋混凝土支撑，减小最后一道支撑与坑底的间距，对本工程安全和降低施工难度是非常重要的，本道支撑设置分析比较了三种不同方案，方案一是设置在主楼和裙房整个底板范围内设置第四道混凝土支撑，支撑范围大，给整个地下室底板钢筋和混凝土施工带来很大的施工难度；方案二是部分利用裙房区域的底板主要在主楼底板范围内设置第四道混凝土支撑，该方案使得裙房底板与主楼底板必须分两次浇筑，土方工程和钢筋混凝土工程必须分次进行，土方开挖机械需要二次进场，施工工期较长，且主楼区域与裙房底板变板厚区域钢筋施工难度较大，支撑范围也较大；方案三是利用裙房区域的底板垫层与主楼底板范围内临时混凝土支撑相结合作为第四道混凝土支撑，充分发挥混凝土垫层的作用，且支撑范围较小，并使得整个地下室底板土方施工、钢筋施工和混凝土施工都可以连续施工，有利于施工合理安排，与方案二相比，本方案工期缩短约一个月，考虑地下室底板垫层与支撑协同作用的第四道混凝土支撑有限元内力和变形分析，第四道支撑斜撑轴力最大计算值约为6000kN，实测最大轴力为5493kN，二者接近。

2.3.2竖向支撑设计

基坑逆作施工阶段的竖向支撑采用一柱一桩形式，立柱分为两种：1）利用主体结构钢骨混凝土柱中的型钢钢骨作为施工阶段钢立柱，由于本工程为超高层建筑主体结构柱中的地下部分钢骨单根重量约30t，重量大，利用型钢钢骨作为型钢立柱必须考虑两个问题：①钢骨的支柱桩的混凝土如何浇筑；②型钢钢骨按照钢结构安装要求需要达到1/1000的垂直度控制要求。经研究分析，采用钢钢骨混凝土柱，利用设置在内部的圆钢管作为立柱桩混凝土浇筑通道，通过设置在外部T型柱来合理满足结构柱轴压比的控制要求。在安装阶段，通过研制专用的校正装置和高精度的监测仪器，各方面高度重视，实践表明基本满足了设计要求。2）逆作法施工需要新增的型钢格构柱，截面为500×500。永久框架柱正常使用期间外包混凝土，永久框架柱位置的立柱桩均利用主体的柱下工程桩，局部位置考虑新增立柱桩作为逆作施工阶段的竖向支承。

4结束语

本工程已圆满竣工，从基坑监测的数据信息显示，整个基坑在逆作法施工过程中的情况是良好和顺利的，地下主体结构和支护结构相结合的逆作法施工完全达到了预期目的。本工程利用地下主体结构型钢混凝土柱中的型钢钢骨作为临时竖向支撑立柱和与底板混凝土垫层结合设置混凝土支撑取得了良好的效果，降低了施工难度明显，加快了施工进度，且第四道支撑斜撑轴力测试计算值与实测值吻合的较好。