论高层建筑结构中及基础设计字数.doc

论高层建筑结构中的基础设计字数：4216来源：城市建设理论研究2012年27期字体：大中小打印当页正文摘要：基础在高层建筑结构中是重要的组成部分，不仅建筑物的安全性方面起到至关重要的作用，在造价和施工工期上也起到非常大的影响。所以设计者在设计过程中，要根据地地质资料、荷载、结构类型、施工条件、施工材料等等因素做到全方位的考虑，使设计的基础即安全实用，又经济合理，同时也能方便施工。文章主要是从基础设计的合理性，分析方法，适用类型，部分优化来进行论述。关键词：高层建筑；基础结构；设计与优化中图分类号：TU208.3文献标识码：A文章编号：一高层建筑基础设计的现实意义 1.1安全性地基和基础位于地面以下，系隐蔽工程。它的勘察、设计和施工质量，直接影响建筑物的安全。设计时保证与之上部结构相适应的基础选型是影响结构安全的重要因素。如果建筑在基础选型设计上与上部结构不相适应、与所处的地基条件不协调、与上部结构不能在整体上协同受力等，有可能造成建筑物的不均匀沉降、建筑物开裂或倾斜甚至倒塌等严重后果。一旦发生质量事故，补救和处理往往很困难，甚至是不可能的。所以，高层建筑基础设计的现实意义。 1.2经济性基础形式设计合理有利于工程造价的降低。地基基础工程的造价和施工工期在建筑总造价中所占的比例与多种因素有关，在建筑工程造价中基础工程占有的比重可达到25%左右，有时由于地质、结构的复杂性、施工条件等，则基础造价更高。保证结构安全性前提下，合理的基础选型，尽量降低工程造价。 1.3时间性基础形式的合理有利于缩短施工工期。据相关统计，基础工程的施工工期可占到土建工程总工期的约30%左右，因此，在当今经济飞速发展的大时代背景下，基础形式的合理选择对缩短施工工期具有重大意义。二勘察成果在高层建筑基础设计中的影响及采取的措施上部结构与地基、基础按整体共同作用的分析方法是目前最理想的。在上部结构与地基、基础之间可对满足接触点的静力平衡和接触点的变形协调同时满足，即将把其看成彼此协调的整体来进行分析。由于地基土形成的自然条件各异，因而它们的性质是千差万别的，不同地区的土有不同的特性，即使是同一地区的土，其特性在水平方向和深度方向也可能存在较大的差异。所以，从某种意义上说，一个最优的地基基础设计方案更依赖与完整的地质、地基土资料和符合实际情况的周密分析。目前的工程勘察和技术手段,一般还只能做到相对的准确。如果把不太准确地质资料没有根据具体的工程情况分析就提供给设计人员,就造成设计人员也只能做出相对的地基处理与基础设计,容易导致在施工过程中不可避免的要根据地质条件的变化而修改设计。如何使工程勘察得以准确,勘察成果得以给基础设计提供更多可靠的设计时，可采用以下措施：2.1当考虑采用天然地基时应查明建筑物荷载影响范围内地基土的物理力学性质、土层分布、深度、厚度及均匀性,以及有无不良工程地质现象,如古河道、古池塘、坑道、土洞等,对地基的稳定性及承载力、变形指标等作出评价。对岩石残积土地区,还应划分出残积土中由岩脉分化成的相对软弱层。2.2当考虑采用沉管灌注桩及预制桩时,应查明在桩基影响范围内各土层岩性、分布、深度、厚度,应提供标准贯入试验击数值,对花岗岩和下古生界的混合岩分布区,尚应着重查明残积土中的未风化球体及岩脉的存在,并提供各土层的承载力及桩周摩擦力。2.3当考虑采用冲、钻、挖孔桩时,应查明建筑物范围内第四系地层与基岩的分布、埋深、厚度,并提供各土层的承载力及桩周摩擦力,应划分土层与岩层及各种风化带分界线,及岩层中有无断层构造带,并查明其产状及宽度、厚度。2.4另外应查明地下水的埋藏条件、类型和水质。当采用挖孔桩或深基础时,可用抽水试验方法查明地质的渗透性、地层涌水量、水位变化和规律以及出现流沙的可能性。三常见基础适用条件分析 3.1筏型基础适用条件为：对于软土地基，当使用条形基础不能满足上部结构的容许变形和地基容许承载力时；当高层建筑的柱距较小，而柱子的荷载较大，必须将基础连成一整体，才能满足地基容许承载力时；风荷载或地震荷载起主要作用的高层建筑，需保证基础有足够的刚度和稳定性时。 3.2箱形基础具有很大的刚度和整体性。对地基的不均匀沉降起到调节或减小的作用。因此适用于上部荷载大而地基土又比较软弱的情况。 3.3桩基础适用条件为：浅表土层软弱，在较深处有能承受较大荷载土层作为桩基础的持力层时；在较大深度范围内，土层均较软弱，且承载力较低时；高层建筑结构传递给基础的垂直和水平荷载很大时；高层建筑对于不均匀沉降非常敏感和控制严格时；地震区采用桩基础可提高建筑物的抗震能力时。 3.4柱下独立基础适用条件为：当上部结构为框架结构、无地下室、地基土质较好、荷载较小、柱网分布较均匀时，可采用柱下独立基础。在抗震设防区，其纵横方向应设连系梁，连系梁可按柱垂直荷载的10%引起的拉力和压力分别验算。 3.5十字交叉钢筋混凝土条形基础适用条件为：当上部结构为框架剪力墙结构、无地下室、地基条件较好时；当上部结构为框架剪力墙结构、有地下室、无特殊防水要求、柱网、荷载及开间分布比较均匀、地基较好时；当上部结构为框架或剪力墙结构、无地下室、地基较差、荷载较大时，为了增加基础的整体性和减少不均匀沉降。3.6其它基础形式，如板式、桩箱基础、桩筏基础等，设计者可根据实际情况来进行合理的选择。四高层建筑基础部分优化设计案例分析在当今开发商追求最大利润化的背景下，设计者如何在确保安全的前提下做到设计合理、省时，保质保量，降低成本地完成任务。这就要对基础方案进行优化设计了。某高层建筑位于繁华地段；地下2层，地上26层，其中一、二层为商业用途，功能上要求大跨柱距，以上均为住宅；建筑高度为78.6m，总面积约48000m2；为A级高度钢筋混凝土高层建筑，抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为丙类，场地土类别为类，结构体系为部分框支剪力墙结构。4.1地质分析根据岩土工程勘察报告，本工程场区地层结构逐层为：杂素填土、碎石层、粘土层、闪长岩残积土、全风化闪长岩、强风化闪长岩和中风化闪长岩。场区内地下水属壤中潜水型，埋深3.403.80m。4.2桩基方案优化本工程原设计采用桩径600mm的钻孔灌注桩，以中风化闪长岩为桩端持力层，桩长约18m，单桩承载力特征值为1800kN，桩总数为862颗，需要满堂布桩，因此采用桩筏基础，基础筏板厚1800mm，上、下皮各配置两排双向25150受力钢筋网，板厚中部配置两排双向12300构造钢筋网。在进行优化设计时，可提高单桩的承载力，从而减少桩数、使桩筏基础改为桩承台基础，以达到施工进度加快、使工程造价降低的目的。而提高单桩承载力的方法如加大桩径，加长桩身，变换桩端持力层、改变成桩工艺，改变桩型等。最后经过各种调研、分析比较、试算，以确定采用钻孔灌注桩后压浆技术提高单桩承载力。目前在许多高层建筑中钻孔灌注桩后压浆技术得到大量应用。该技术的产生主要是针对钻孔灌注桩的某些弱点，该弱点主要体现为：桩端沉渣难以清除干净，导致沉降量较大；由于桩身混凝土常需在水下浇注，须采用泥浆护壁措施，这层“泥皮”使桩侧摩阻力减小。后压浆技术的原理是：在桩身中预埋导管，当桩身混凝土达到一定强度后，通过导管向桩端压送高压水泥砂浆，此砂浆首先将桩端的虚土挤压密实，然后沿桩身周围逐渐上升，直至溢出地面。由此可见，后压浆技术可以减少桩基沉降，改善桩侧土的受力性能，从而达到提高单桩承载力的目的。从施工角度看，后压浆技术已由最初的技术垄断到目前的相对普及，其操作方便，容易掌握，所需设备简单，材料及人力投入少，成本较低廉。本工程优化设计将原桩长减少2m，桩径由600mm增大至700mm，其它条件不变，采用钻孔灌注桩后压浆技术后，单桩承载力特征值由优化前的1800kN增大到3500kN，桩总数由优化前的862颗减少到388颗，将原设计的满堂桩筏基础方案修改为柱下独立承台或墙下条形承台构造防水底板方案，承台厚度与筏板厚度相同，均为1800mm，但是只需在承台下皮单层配筋，防水底板厚度为600mm。由此可见，优化设计后，在桩身混凝土用量基本不变的情况下，桩的数量和长度、基础混凝土用量均得以减少，有利于加快施工进度、缩短工期、降低造价。4.3经济优势经估算，本工程采用钻孔灌注桩后压浆技术后，单桩承载力增加94%；桩身混凝土用量节省约2100立方米，节省比例约47%；基础底板混凝土用量节省约3550立方米，节省比例约48%；合计节约工程造价约374万元。同时由于缩短了施工工期，加快了资金周转，取得了令业主满意的直接经济效益和综合社会效益。五结束语基础具有重要作用，是上部结构的根本。因此在进行基础设计时要做到按实际情况出发，收集充足的资料，进行综合分析对比，最终选择一个经济合理的方案。这样才能保质保量地完成业主交代的任务，同时也给社会带来效益。参考文献：1董丽娜,陈师.浅谈高层建筑结构与地基和基础的共同作用J.民营科技.2009(10)2糜永红.浅谈高层建筑基础设计J.建筑技术开发.2009(12)3宋杰,杨柳,苏丙栋.高层建筑基础类型的选择与一般要求J.科技致富向导.2010(21)4寒军,黄宇.工程造价与建筑结构优化设计的关系J.低温建筑技术.2010(06)建筑.李2013-3-2113:32:21对高层建筑基础设计中的几个问题的探讨字数：3203来源：建筑与文化2012年9期字体：大中小打印当页正文【摘要】在高层建筑基础设计中，考虑到建筑场地的地质状况、上部结构的类型、施工条件、使用要求，地基、基础与上部结构有着相互作用的影响。从而导致内力计算的误差，因此，高层建筑与地基基础的共同作用问题已越来越受到工程界的重视。高层建筑与地基基础共同作用，即把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。本文是对“共同作用”的机理和设计方法进行了探讨。【关键词】上部结构；竖向刚度；抗弯刚度；弹性模量1前言：上部结构和地基基础的相互作用，导致了内力计算的误差，有时误差还很大。因此，高层建筑与地基基础的共同作用问题已越来越受到工程界的重视。高层建筑与地基基础共同作用以下简称“共同作用”，即把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。本文是对“共同作用”的筏基及箱基机理和设计进行了探讨。常规设计方法：把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，首先把基础作为上部结构的固定支座，在荷载作用下，求得上部结构的内力和变形以及基础固定处的反力。此时认为基础没有任何变形，然后把该反力作用于基础上去计算基础的内力，再把基础的反力作用于地基上来校核地基的强度和变形。这种常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移，忽略了上部结构对基础的约束作用，这样导致的结果：一是基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守；二是没有考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力，在某些部位（如底层梁、柱和边跨梁、柱）低估了上部结构的内力，使这些部位计算结果偏于不安全。2上部结构刚度对基础约束的有限性上部结构的刚度是指水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。研究表明：随着建筑物层数的增加，水平刚度和抗弯刚度只是在最初几层增加较快，继而迅速减缓，趋于某一稳定值；而竖向刚度则随层数增加以某种规律增加，同样达到某一层时，趋于稳定。所不同的是比前两者多几层。可见上部结构刚度对基础的约束是有限的，不是随层数的增加而无限增加的。3上部结构刚度对基础“共同作用”的影响结构刚度与施工条件、方式有着密切的关系，因此应考虑结构刚度的形成方式。其主要有：整个结构的刚度和荷载是一次同时形成的称为“一次形成”，本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“通层形成”，本层结构的刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。三种方式所形成的结构刚度所起的作用有所不同。4基础钢筋应力计算时，计算单元的变化的关系4.1为使高层建筑结构在水平力和竖向荷载作用下，其地基压应力不致过于集中，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15。计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑；平板式筏基的板厚可根据受冲切承载力计算确定，平板式筏基的板厚，应能满足受冲切承载力的要求，计算时应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力。4.2箱形基础高度应满足结构的承载力和刚度要求，长度的1/20，且不宜小于3m，箱形基础具有一定的刚度，能适应地基的不均匀沉降，满足使用功能上的要求，减少不均匀沉降引起的上部结构附加应力。5地基模型和土性变化时对“共同作用”的影响当地基采用线性弹性模型时，随着结构刚度的增加，基底反力不断向边、端部集中，基底边缘发生过大反力是不可避免的。按此地基反力算得基础中点弯矩将比实测地基反力大几倍。当地基采用非线性弹性模型时，地基反力的集中现象就有明显的改善。当地基采用弹性模型时，即使对于绝对刚性基础，边缘地基反力仍比较缓和，与实际情况相接近。由此可见，在“共同作用”分析计算中，选择合适的地基模型是重要的。对于地基承载力小的软黏土，筏基边缘的地基反力由于超过地基的承载力，引起筏基两端的地基产生塑性变形，使得地基土应力重分布，产生比较均匀平缓的地基反力。6相邻建筑物对“共同作用”的影响相邻建筑物对主体建筑“共同作用”结果的影响主要有：（1）与主体建筑同步建造的相邻建筑物；（2）在主体建筑建好后建造的相邻建筑物。如果建筑物已造好，这种影响可以忽略不计，相邻建筑物是通过对主体建筑产生附加沉降参与“共同作用”的。它是随与主体建筑的距离远近和不同的布局，而产生不同的影响。当相邻建筑与主体建筑平行布置时，影响“共同作用”的效果主要是改变横向整体倾斜。对整体倾斜的影响非常之大，并显著改变沉降分布，甚至改变倾斜方向。为此，特别是在小区建设中，必须充分注意相邻建筑对主体建筑的影响。7高层建筑基础的埋深及偏心距对“共同作用”的影响7.1高层建筑由于质心高、荷载重，对基础底面一般难免有偏心。为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础平面形心相重合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。7.2我国高层建筑发展是层数越来越多，高度不断增高，所以，高层建筑基础应有一定的埋置深度。在确定埋置深度时，应考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足承载力、变形、稳定以及上部结构抗倾覆要求的前提下，埋置深度的限值可适当放松。8设计建议8.1地基强度校核。在地基土比较均匀的条件下，筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合；高层建筑基础的混凝土强度等级不宜低于C30。如建设场地具有较稳定的地下水位，高层建筑筏形基础的地基应进行强度校核。8.2筏形基础和箱形基础的沉降计算。箱形基础的沉降可以用规范的分层总和法计算；建议采用根据高层建筑筏形基础实测变形特性，来计算筏形的沉降量。筏形基础的平面尺寸应根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素确定；当地基比较复杂、上部结构刚度较差，或柱荷载及柱间距变化较大时，筏基内力宜按弹性地基板方法进行分析。8.3荷载重心与底板形心的关系。上部结构传采的荷载重心应尽量与箱基基础底板形心重合，这是为了防止发生不利于使用的横向整体倾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基基础底板悬挑或箱基基础悬挑的方法来解决。底板悬挑长度与底板厚度之比不宜大于4。8.4高层框架结构箱基基底板钢筋应力的计算。高层框架结构箱基底板钢筋应力计算除采用规范方法外，建议采用“共同作用”整体计算。为了简化起见，计算单元可采用箱基加上13层上部结构来计算底板钢筋应力。这样计算的整体弯曲箱基底板钢筋应力是符合实际的。当地基压缩层深度范围内的土层在竖向和水平方向皆较均匀，且上部结构为平立面布置较规则的框架、剪力墙、框架-剪力墙结构时，箱形基础的顶、底板可仅考虑局部弯曲计算。9结束语高层建筑箱基及筏形基础与上部结构和地基基础的相互作用问题，导致内力计算的误差，有时误差还很大。常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移及上部结构对基础的约束作用，导致基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守。所以，应考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力和上部结构的内力，否则这些部位计算结果偏于不安全。会降低建筑结构的承载力、刚度、稳定和整体性、耐久性，甚至还会导致构筑物倒塌的重大质量事故。因此，正确分析原因是十分必要的。以上是对高层建筑箱基及筏形基础时与上部结构和地基基础的相互作用存在问题的一个小结，作为引玉之砖，呈现给前辈和同行，以求指正。关于高层建筑基础设计的若干探讨字数：4074来源：城市建设理论研究2012年25期字体：大中小打印当页正文摘要：随着高层建筑的迅速发展，高层建筑的基础设计愈来愈受到设计人员的重视，如何从高层建筑的地质条件出发，综合考虑各种因素，选择经济安全的结构形式成了设计人员关注的问题，本文从常见的高层建筑的结构形式入手，介绍几类常见的高层建筑基础，并讨论优缺点及设计要点。关键词：高层建筑，基础设计，嵌岩桩基础，筏式基础，桩筏基础Abstract:Withtherapiddevelopmentofhigh-risebuildings,thebasicdesignofthehigh-risebuildingsbecomemoreandmoretheattentionofdesignersfromthegeologicalconditionsofthehigh-risebuildings,andcomprehensiveconsiderationofvariousfactors,thestructurebecamedesignerschooseeconomicsecurityconcerntheproblem,thepaperstartfromthecommonstructureofthehigh-risebuildings,introducedafewcommontypeofhigh-risebuildingfoundation,anddiscusstheadvantagesanddisadvantagesofthedesignpoints.Keywords:high-risebuildings,basicdesign,embeddedrockpilefoundation,raftfoundation,pileraftfoundation中图分类号：TU208.31.前言随着社会经济的发展,高层建筑在城市空间的利用中扮演着越来越重要的角色，同时，迅速发展的高层建筑也给设计师提出了诸多新的挑战。而高层建筑的基础作为高层建筑结构体系的一个非常重要的部分,因此，在进行地基基础设计时，除了考虑基础的强度和刚度外,还应考虑考虑地基的强度、稳定性及变形的要求，考虑上部结构体系、地理环境条件、施工条件等诸多因素,才能设计出既安全又经济的基础形式2.高层建筑基础选型基础工程设计中的关键问题是如何根据各地区不同的地质条件,选择安全经济的基础形式。一般情况下，高层建筑应考虑如下几个条件:高层建筑基础保证基础本身的强度要求,同时，基础上部传递的荷载分布应尽量均匀；高层建筑基础应支承在较坚固或较均匀的地基上,充分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；高层建筑基础应满足相关的构造要求,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;高层建筑基础要满足上部结构的正常使用的要求;高层建筑基础一般埋置较深,因此对于施工过程而言,高层建筑的基础应充分考虑深基坑开挖和地下水抽排对周围建筑物的影响,保证施工过程的安全与质量。2.1嵌岩桩基础在进行嵌岩桩基础设计时，应注意如下几个问题：现行规范是国内设计方法的典型代表,但规范存在诸多问题，在使用规范时应结合具体的地层条件和当地的设计经验；嵌岩桩的成桩方式不同,其承载性状有较大差异，为尽可能充分发挥桩侧、桩端阻力，应按不同方式设计；设计标准上，应从承载力单方面控制向承载力和变形双向控制进行转化；桩端阻力及桩身设计参数的取值，要考虑桩的荷载传递规律,使桩端阻力、桩侧阻力能最大限度地得到发挥；嵌岩桩的设计应以桩身混凝土强度、地基对桩所能提供的承载力及桩体总沉降量作为三个控制标准进行设计。对嵌于强度较高岩层中的桩,桩的承载力一般由桩身混凝土强度控制。合理的嵌岩深度一般取(0.5-1.0)倍桩径即可。因此,应加强对嵌岩桩施工质量的控制。2.2天然地基钢筋混凝土筏式基础由于特定的地质历史条件,我国的沿海地区往往形成了一种上软下硬的岩土地层,该类型的地层结构硬土层的埋深较浅,因此，较为适合选择作具有两层地下室的高层建筑基础持力层。选择采用天然地基作基础持力层时,需特别注意考虑地基承载力确定及地基变形验算问题。基础的结构设计一般可选择钢筋混凝土块式基础或筏式基础。采用块式基础较为简便,中筒部分可考虑由筏板承托,基础之间结合地下室底板结构布置刚度较大的连梁,并考虑平面刚度极大的地下室底板的连接,基础整体性良好,具有极佳的抗不均匀沉降能力。天然地基块式或筏式基础具有施工方便、工期短、节约投资等优点,建议设计人员在条件允许情况下尽量选用。2.3桩筏基础桩筏基础的基本原理是桩土的协同工作,桩与土在沉降及收缩固结过程中相互协调达到稳定的平衡状态,筏板底土层与摩擦桩共同承担上部结构荷载。一般来说,考虑地下室开挖后地基补偿等因素,筏板底土层具有一定的承载力。所以设计时可根据筏板底土层情况,考虑土承担上部结构荷载的比例。通过对筏板的分析,筏板四周的应力最大,因此在设计时在筏板四周应均匀布置桩且桩距应加密,中部各竖向构件桩的布置宜采用梅花形布置。考虑摩擦桩的特点,桩筏基础设计桩直径不宜过大。筏板厚度的确定除满足冲切要求外尚需满足抗弯、抗剪的要求。目前,我国现行规范GB5000722002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: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。对于框架结构,可按荷载大小,在柱下集中布桩。对于框剪结构或框筒结构,柱下布桩与框架结构相同,剪力墙或筒体下沿墙布桩。当桩数较多时,也可均匀布桩。根据国内外专家的理论,国内一些设计单位在桩基设计中,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外围桩数。方法2:参考桩土共同作用,利用天然地基的承载力,使桩基与天然地基互补,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。3减沉设计减沉设计的基本原理。减沉设计是指按沉降控制原则设计桩筏基础。减沉设计概念主要应用于软土地基上多层建筑设