高层建筑基础分析与设计 作者 袁聚云 1本科-2011秋-第一章_绪论(梁改)

2018/1/10,1,2018/1/10,1,袁聚云教授 梁发云副教授 赵程讲师同济大学地下建筑与工程系,2011年,高 层 建 筑 基 础,2018/1/10,2,在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,,主 要 内 容,1. 绪论2. 高层和超高层建筑结构体系3. 高层建筑地基勘察 4. 高层建筑地基模型5. 天然地基上的高层建筑基础 6. 高层建筑基础结构设计7. 高层建筑与地基基础共同作用分析8. 高层建筑桩筏(箱)基础沉降计算理论 9. 带裙房高层建筑与地基基础共同作用分析10. 高层建筑基础的变刚度调平设计 11. 高层建筑基础实测与计算分析12. 高层建筑基础设计中常见问题分析与处理,2018/1/10,4,2018/1/10,4,主要教材及参考资料,教材: 1.袁聚云、梁发云、曾朝杰、赵锡宏、董建国. 高层建筑基础分析与设计.机械工业出版社，2011. 2.董建国、赵锡宏. 高层建筑地基基础共同作用理论与实践. 同济大学出版社，1997. 参考资料: 1.宰金珉、宰金璋. 高层建筑基础分析与设计土与结构物共同作用的理论与应用.中国建筑工业出版社，1993. 2.陈国兴. 高层建筑基础设计. 中国建筑工业出版社,2000. 3.葛忻声. 高层建筑基础的实用设计方法.水利水电出版社，2006. 4.赵锡宏等. 带裙房的高层建筑与地基基础共同作用的设计理论与实践. 同济大学出版社，1989.,第一章 概 述,第一节 高层建筑的发展历史及其特点,高层建筑：高度高、层数多的建筑。 High-rise Building (高楼) Tall Building(高楼) Tower(塔楼) Skyscraper(摩天大楼) 百度百科：超过一定高度和层数的多层建筑。,一、高层建筑的定义,2018/1/10,6,2018/1/10,6,高层建筑突出特点： 有效地利用空间资源，占地面积小，可缓解大城市住房、交通和用地紧张等问题。据国外的有关资料介绍: 910层的建筑比5层的节约用地228 1617层的建筑比5层的节约用地3249 前苏联的有关资料介绍，将5层建筑增加到9层： 建筑密度可提高35 小区市政设施的费用可降低32。,一、高层建筑的定义,2018/1/10,7,2018/1/10,7,高层建筑至今没有统一划分标准，在不同国家、不同年代，其规定也不一样：美国规定高度2225m以上或7层以上为高层建筑；英国规定高度在24.3m以上的建筑为高层建筑；法国规定居住建筑高度为50m以上、其他建筑高度28m以上的建筑为高层建筑；日本则把8层以上或建筑高度超过31m的建筑称为高层建筑，并把30层以上的旅馆、办公楼和20层以上的住宅规定为超高层建筑。,2018/1/10,8,2018/1/10,8,根据联合国科教文组织所属的世界高层建筑委员会的建议，将高层建筑划分为如下四类:第一类： 916层，高度不超过50m；第二类： 1725层，高度不超过75m；第三类： 2640层，高度不超过100m；第四类： 40层以上，高度超过100m以上。,2018/1/10,9,2018/1/10,9,根据我国住宅设计规范(GB50096-1999)(2003年版)中规定，住宅按层数划分：低层住宅为一层至三层；多层住宅为四层至六层；中高层住宅为七层至九层；高层住宅为十层及以上。 我国高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)中规定：10层及10层以上或房屋高度大于28m的建筑物为高层建筑。,2018/1/10,10,2018/1/10,10,超高层建筑也无明确规定，一般为：可将30层以上、总高度超过100m的建筑称为超高层建筑。现在，建筑高度越来越高，也可把高度超过50层或200m以上的高楼，称之为超超高层建筑，以适应时代的发展。无论是一般的高层建筑，还是超高层建筑，都可统称为高层建筑。本课程所讲述的高层建筑一般包括了高层建筑和超高层建筑这两种情况。,2018/1/10,11,2018/1/10,11,高层建筑国际会议：分为四类(I,II,III,IV) 高层建筑混凝土结构技术规程：10层或28m 高层民用建筑设计防火规范：10层或24m 高层建筑岩土工程勘察规程：8层高层建筑箱形与筏形基础技术规范：8层,综上所述，对于岩土工程勘察和基础工程，高层建筑起点可定在8层或高度24m。,高层建筑定义归纳如下：,二、高层建筑的发展历史,古代高层建筑：多是高耸的塔楼结构 外形封闭的正多边形，结构体系比较合理；壁厚，使用空间小，建筑物越高，问题越突出；小空间高层建筑不能适应人们的需要。现代高层建筑：大量兴建和高度不断攀升 现代高层建筑是随着钢铁、水泥和混凝土的出现而逐渐发展起来。,2018/1/10,13,2018/1/10,13,国(境)外高层建筑发展概况1801年，英国建造了7层高的曼彻斯特棉纺厂-铸铁框架承重。1885年，芝加哥10层人寿保险公司大楼，高55m，第一幢具有现代意义的高层建筑，也是世界上第一幢高层钢结构建筑。1902年，美国在辛辛那提市(Cincinnati)建造的16层因格尔斯(Ingalls)大楼，第一幢高层钢筋混凝土建筑。1931年，纽约建成帝国大厦，高381m，102层，享有“世界最高建筑”美誉达40年之久，从此高层建筑进人了超高层领域。20世纪40年代，美国建造高层建筑的势头因二战而告停顿。,2018/1/10,14,2018/1/10,14,国(境)外高层建筑发展概况二战后，美国各地乃至世界各国纷纷竞相建造高层建筑。1972和1973年，纽约建成世贸中心1号和2号楼(高度分别为417m和415m)。1974年，芝加哥建成了西尔斯大厦，高443m，110层，一举成为全美第一和全球第一高楼，此桂冠一直保持了22年。1996年，马来西亚建成吉隆坡双塔大厦(高451.9m， 共88层)。2004年底，中国台北建成101大厦，以508m的高度(主体结构高480m)成为当时世界最高建筑。2010年1月4日，阿联酋迪拜市的哈利法塔以828m、169层高度成为新的世界最高建筑物。,2018/1/10,15,2018/1/10,15,2018/1/10,16,2018/1/10,16,中国大陆高层建筑发展情况-起点晚，发展快1923年，上海建成10层高的字林西报大楼，即今中山东路桂林大楼，它是我国第一座现代高层建筑。1934年，上海国际饭店，地上22层，地下2层，地面以上高82.5m，号称“远东第一高楼”。 1968年，广州宾馆，高28层、87.6m，是首座高度超过解放前第一高楼上海国际饭店的高楼。 1976年，广州白云宾馆，高32层、112m，是我国首座高度逾百米的高层建筑。1990年，北京京广中心，高57层，208m，是我国首座高度逾200m的高层建筑。1996年，广州中天广场，高80层，322m，是我国首座高度逾300m的高层建筑。,2018/1/10,17,2018/1/10,17,中国大陆高层建筑发展情况：1998年，上海金茂大厦，高88层，420.5m，是我国首座高度逾400m的高层建筑。2008年8月，上海环球金融中心，高492m，101层，其主体结构高度将超过台北101大厦，是目前我国内地的第一高楼。2008年11月开工，上海中心大厦，由地上121层、5层裙房和5层地下室组成，主体结构高度为580米，总高度达632米，总投入148亿元，预计将于2014年竣工交付使用。,2018/1/10,18,2018/1/10,18,目前的世界十大高层建筑,金茂大厦 特朗普国际酒店大楼 威利斯大厦 绿地广场 双峰塔 环球贸易广场 上海环球金融中心 台北101 哈利法塔 (上海) (芝加哥) (芝加哥) (南京) (吉隆坡) (香港) (上海) (台北) (迪拜),2018/1/10,20,三、高层建筑的主要特点,现代高层建筑是随着社会经济发展、科学技术进步和人们生活需要而逐渐发展起来的。当建筑物高度增加时，水平荷载（风荷载及地震作用）对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快，这是高层建筑与多层建筑受力的主要区别。,2018/1/10,21,2018/1/10,22,高层建筑具有以下的一些主要特点：部分解决城市用地紧张和地价高涨的问题对沉降和差异沉降的要求更高高层建筑分析和设计比一般多层建筑复杂得多，侧向荷载(风荷载和地震作用)是高层结构控制因素。由于竖向交通和防火等要求，都使得高层建筑造价较高、运行成本加大。,2018/1/10,23,第二节 高层建筑基础工程主要特点,高层建筑基础工程包括基础结构和基坑工程两大密切相关的部分。高层建筑基础工程特点：要求地基和基础结构承受较大的竖向和水平向荷载，确保建筑物在风荷载和地震作用下具有足够的稳定性，并使建筑物沉降和倾斜控制在允许范围内。 高层建筑的深基坑开挖问题成为高层建筑基础工程设计和施工方案的重要组成部分。防止沉桩挤土危及周边环境。基础结构大体积混凝土施工技术。高层建筑基础结构的造价和工期占重要比例。,2018/1/10,24,第三节 高层建筑基础类型与适用性,一、高层建筑基础类型(一) 十字交叉条形基础 适用范围(1)上部结构传来的荷载不是太大、柱网较为均匀、柱距较小且各柱荷载差异较小时；(2)地基土质均匀、地基土承载力很高且压缩性较小时；(3)建筑物无地下室要求时。,2018/1/10,25,(二) 筏板基础类似一块倒置的楼盖，比十字交叉条形基础具有更大的整体刚度，有利于调整地基的不均匀沉降，能够较好的适应上部结构荷载分布的变化。 筏板基础通常分为平板式和梁板式两种类型，两种类型筏板基础有各自的优缺点。,2018/1/10,26,(三) 箱形基础箱形基础由钢筋混凝土底板、顶板和纵横交错的隔墙组成的一个空间的整体结构。箱形基础比筏板基础具有更大的抗弯刚度和整体性。 箱形基础有很好的补偿性。 有较好的抗震效果。 箱形基础的材料消耗量较大，施工技术要求高，且还会遇到深基坑开挖带来的问题和困难。 设计人员越来越倾向于采用筏形基础，而不愿意选择纵横内隔墙较多的箱形基础。,2018/1/10,27,2018/1/10,28,(四) 桩、桩筏和桩箱基础 桩基础是高层建筑常用的基础形式，具有承载能力大，能抵御复杂荷载以及能良好地适应各种地质条件的优点，尤其对于软弱地基上的高层建筑，桩基础是理想的基础形式之一。 (1) 桩基可以具有很高的竖向承载力，承担高层建筑的全部或大部分的竖向荷载；(2) 桩基具有很大的竖向刚度，容易保证地基变形和建筑物的倾斜不超过允许范围；(3) 桩基具有很大的侧向刚度和整体抗倾覆能力，能够抵御风和地震作用产生的水平荷载和力矩，保证高层建筑的抗倾覆稳定性。,2018/1/10,29,二、高层建筑基础选型的技术要求,(1)上部结构竖向荷载传递及地下室使用功能要求；(2)地基和桩的承载力应满足基底附加压力要求；(3)地基土持力层及其下卧层的整体稳定性；(4)基础总沉降量和差异沉降量的控制；(5)地下水位及其防水要求；(6)基础施工可能对周边建筑物带来的不利影响；(7)基础工程造价、施工难度与工期等因素对综合经济效益的影响。 综合考虑各因素，结合最新观念，通过方案比较和优化，选择安全可靠和经济合理的基础形式。,2018/1/10,30,三、法兰克福商业银行大楼基础方案选型,工程概况德国法兰克福商业银行大楼坐落在3040m厚的粘土地基上。粘土层下面是很厚的多孔岩层，由石灰岩、白垩砂和粉砂所组成，里面含有孔隙。由于多孔岩层的不确定性，该城市以前所有的建筑物都未将其基础设计支承在这种多孔岩层的地基上。最初的地质勘探报告按常规建议将商业银行大楼的三角形平面做成整体基础坐落在法兰克福粘土层上。,2018/1/10,31,案例：法兰克福商业银行大楼基础方案选型,2018/1/10,32,56层法兰克福商业银行(1996年底建成)。 1991年招标书要求在这个三角形建筑平面内，必须有一边是空中花园，而办公楼区只能设置在另外两侧，并且在每层办公楼区的任何位置上，办公人员都能抬头就看见花园。 每8层办公楼之间加插一个4层楼净高的空中花园。,2018/1/10,33,法兰克福商业银行,2018/1/10,34,基础方案方案投标时曾提出平板式桩筏基础和桩箱基础两种方案。由于整栋大楼(地上61层、地下3层)的所有荷重都集中作用在这个三角形建筑平面的三个角筒下面，而不是均匀分散直接作用在整个建筑物的地基上，初步估算平板式桩筏基础的板厚要6m左右，所以当时比较看好的是桩箱基础方案。在初步设计阶段的反馈、优化过程中，设计人员发现箱形基础内网格状布置很难发挥三层地下室的使用功能。最后，设计人员与业主商量，共同确认没有必要完全按法兰克福的传统常规做法来进行该大楼的基础设计，废弃了这种传力途径复杂、使用功能不佳，且造价不菲的箱形基础方案。,2018/1/10,35,基础方案经过多方面的比较后，结构设计人员最终提出：在三个角筒的正下方分别设计成群桩承台，并将桩直接嵌固支承在粘土层下面的岩层上。对现场的多孔岩层作了详细的勘探与分析，桩长只需4050m。这样，不但从三个角筒传下来的荷载可直接由其正下方的群桩来直接承担，还达到使竖向荷载合力作用点与群桩承载力合力点重合的最