基础刚度对高层建筑抗震设计的影响剖析.pdf

规划设计 92 建筑建材装饰 2015 年第 5 期 基础刚度对高层建筑抗震设计的影响剖析 田国锋 苏州建设（集团）规划建筑设计院有限责任公司，江苏苏州 215000 摘要：随着我国建筑工程量的不断增多，高层建筑逐渐成为了房屋建筑的发展趋势。高层建筑因为自身的特殊性，对于 底部基础的稳定性有很高的要求，这也是其抗震性能的需要，基础刚度是否良好对于高层建筑的质量安全是十分重要的。基 于此，本文从现有高层建筑的施工技术出发，系统的分析了基础刚度对于高层建筑整体抗震性能设计的影响。 关键词：基础刚度；高层建筑；抗震设计；分析 中图分类号：TU973.31 文献标识码：A 文章编号：16743024（2015）059202 引言 在高层建筑的结构设计中， 对于其抗震性能的设计是必 不可少的一项工作。从大量的建筑工程实际来看，要确保抗 震性能就必须要从建筑的最基层施工做起， 把地基密实度工 作抓好，使建筑有一个坚固的地基，能够承受外部力量的冲 击。从实际施工来看，抗震设计考虑基础刚度，不仅可以使 建筑的结构自振周期得到控制，还可以降低地震作用的影 响，值得一提的是，客观存在的有限基础刚度会使建筑结构 在地震作用下的变形特点和内力分布特征发生改变，可以 说， 基础刚度对于高层建筑的抗震性能的影响作用是十分关 键的。 1 在有限基础刚度基础上的结构计算分析 高层建筑一般都是有地下空间部分， 地下室的外侧土体 抗力和刚度对于基础刚度有直接的影响，基于此，对于结构 计算又可以分为有地下室和无地下室两种， 前者主要是用于 建筑物具有地下室并且承台的底面以上部位不存在液化土 层情况，考虑的是地下室外侧土体抗力的作用，把侧向地基 土抗力作用模拟为点弹簧， 然后安置于地下室楼板和底板边 缘；后者的使用范围是在基础拉梁刚度较小时才使用，把地 基土的竖向抗力作用模拟分布在基底， 地基土水平抗力作用 模拟为点弹簧安置于基础外边缘位置。 2 地基基础刚度的具体测算方式 桩基的刚度不是由单一的某种元素来决定的， 它由竖向 刚度、横向刚度、运动刚度以及耦合项共同组成，是由试桩 曲线来确定的。 2.1 地下室的外侧土体水平刚度 如果把地基土的水平抗力系数 C 随着入土深度线增加 并且地表处设定为零时， 那么地下室外侧土体水平刚度计算 就可以通过下图来表示： 上图中，hi代表的是地下室 i 层中点到地表的距离（h0 0，hnH） ；m 代表的是地基土水平抗力系数的比例系数 （kN/m 4） ，那么对于水平弹簧 K i的刚度值就可以由此公式来 确定： Ki0.5mLi（h 2 ih 2 i1） 其中，Li表示的是垂直于土体水平抗力方向的墙体计算 长度。 2.2 基础刚度的退化分析 在正常的使用状态下， 基础竖向刚度如果发生了退化现 象，那么基础的转动、平动刚度是不会随之退化的；在振动 较为大的作用下，基础的转动和平动刚度则会发生退化，它 的竖向刚度取的是长期刚度。 它的最为典型的试桩曲线图如 下所示： 3 基础刚度对于高层建筑物地震作用和效应的影 响分析 3.1 基础刚度对于框架结构地震作用和效应影响的 分析 第一，框架结构的综述 12 层钢筋混凝土的框架结构，它的平立面如下图所示： 基础部分采用 C30 直径为 d2m 的人工挖孔桩，桩的长度 是在 21m，桩端扩孔是在中风化花岗岩层，单桩竖向承载力 的特征值为 16000kN，一个柱一个桩的形式，8 度一组抗震 设防，具体的场地类型是类。 以区间的形式来表示基础刚度，下限为 Kmin0.5K，上 限为 Kmin2.0K，具体的如下表所示： 规划设计 932015 年第 5 期 建筑建材装饰 上表为单桩约束刚度的表示度。要注意的是，表中地基 土 m 的值是 20MN/m 4。 第二，模态方面的分析 刚性楼盖的设定， 基础嵌固和有限基础刚度结构前 6 阶 自振周期可以从下图来看出： 此表为框架结构的自振周期表示，以此图表可以看出， 基础刚度发生退化， 那么框架结构的自振周期相对于基础嵌 固就会有所增大。 3.2 基础刚度对剪力墙结构地震作用和效应影响分 析 第一，结构的概况分析 34 层的现浇钢筋混凝土剪力墙结构， 它的平剖面和基桩 布置平面如图所示。 采用桩条形基础， C40直径d为1.6m 人工挖孔桩，桩的长度为 21m，桩的端部扩孔置于中风化花 岗岩层，单桩竖向承载力的特征值为 11000kN，8 度一组进 行抗震设防，场地的类别为类。 对于单桩刚度的范围如下表所示，是单桩刚度的表示 表： 上图表中 m 的取值为 20MN/m 4。 第二，模态分析 对刚性楼盖的设定， 结构的前6阶自振周期如下表所示： 此表为剪力墙结构自振周期，可以看出，基础刚度的减 小，剪力墙结构的自振周期就会增大。 4 基础刚度对于高层建筑结构侧移刚度的影响 4.1 基础刚度对剪切型结构侧移刚度的影响 在计算假设方面来说，（1） 它的结构始终保持弹性状态， 不考虑扭转效应， 根据两主轴的方向来对其侧移刚度分别计 算； （2）在结构底层柱上截面相近节点水平位移1、转角变 形1一致； （3）如果基础竖向的刚度无穷大，那么就可以 忽略基础拉梁的影响，始终确保基础刚度处于弹性状态。 4.2 基础刚度对弯曲型结构侧移刚度的影响分析 把基于有限基础刚度的弯曲型结构模拟为一根底部具 有弹性约束的“竖向悬臂梁” ，这个悬臂梁在倒三角形分布 水平荷载作用下，可以根据“顶点位移等效刚度”的计算原 理， 得出相关的基于有限基础刚度的弯曲型结构侧移刚度的 表示公式，经过对条件的分析，并考虑到基础刚度的影响， 弯曲型剪力墙结构的侧移刚度就会有所减小。 5 基础刚度对结构整体稳定的影响分析 对有限基础刚度的影响考虑后， 则相应的结构刚重比限 值相比于嵌固端情况就会有所降低， 而且结构的侧移刚度也 会有所下降，那么就需要对基础刚度对于 P效应以及整 体稳定的不利影响进行综合考虑， 这样可以确保重力二阶效 应所引起的位移增量会被控制在较为合理的范围之内。 6 结语 综上所述，在当前我国经济繁荣发展的大环境下，高层 建筑成为了一种趋势，高层建筑在建设施工中，因为其自身 的结构特性，需要对其抗震性能进行重点考虑，做好底部基 础的施工， 基础刚度对于高层建筑抗震结构设计的影响是多 方面的，需要施工单位在一方面有针对性的采取措施， ，正 确处理其影响效果，确保施工质量的良好，从而提高高层建 筑的整体抗震性能。 参考文献： 1傅学怡，邸博.基础刚度对高层建筑抗震设计的影响 分析J.土木工程学报，2014（04） 2靳同良，王多祥.高层建筑抗震设计要点探讨J.甘肃 冶金，2014（03） 3刘越超.