高层建筑基础分析与设计 作者 袁聚云 6本科-2011秋-第六章 高 层建筑基础结构设计-筏基

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：,,2018/1/10,3,第六章 高层建筑基础结构设计,第一节 一般性的规定,1.箱形和筏形基础的平面尺寸,箱形和筏形基础的平面尺寸，应根据地基土承载力、上部结构布置及荷载分布等因素综合确定。 当为满足地基承载力的要求而扩大底板面积时，扩大部位宜设在建筑物的宽度方向。,2018/1/10,4,当不能重合时，在永久荷载与活荷载长期效应组合下，偏心距e宜符合下式要求： W与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩； A基础底面积。,2. 基底平面形心宜与结构竖向荷载重心重合,2018/1/10,5,3. 上部结构嵌固部位的确定,单层地下室为箱基，上部结构为框架、剪力墙或框剪结构时，上部结构嵌固部位可取箱基顶部(图6-2a)。,2018/1/10,6,采用箱基的多层地下室及采用筏基的地下室，对于上部结构为框架、剪力墙或框剪结构，当地下室层间侧移刚度大于上部结构层间侧移刚度1.5倍时，地下一层结构顶部可作为上部结构嵌固部位(图6-2b、c)；,否则认为上部结构嵌固在箱基或筏基的顶部。,2018/1/10,7,4. 基础防渗措施,运营后渗漏水：人民广场黄陂南路区间，8号线北段，二号线过江段等,2018/1/10,8,采用筏基方案的重要目的就是扩大地下室的使用面积，提高地下室的使用功能。但对基础的防渗要求越来越高。 箱形基础的混凝土强度不低于C25；筏基和桩箱、桩筏基础的混凝土强度不低于C30。 当采用防水混凝土时，防水混凝土的抗渗等级应根据地下水的最大水头的比值，按表6-2选用，且其抗渗等级不应小于0.6MPa。 对重要建筑宜采用自防水并设架空排水层方案。,2018/1/10,9,抗渗等级是以28d龄期的标准试件，按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水压力来确定。混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等五个等级。相应表示混凝土抗渗试验时一组6个试件中4个试件未出现渗水时不同的最大水压力。,表6-2 防水混凝土的抗渗等级,2018/1/10,10,目前的防渗在技术上并未完全解决，因此，堵漏技术相应发展起来。 防堵结合一般能满足使用要求，但技术要求很高，并且造价也较高。 有许多工程采用排水方法解决地下室渗水问题。 当采用刚性防水方案时，应验算底板的抗裂度。,2018/1/10,11,工程上常用的防水方案,2018/1/10,12,第二节 筏形基础,(一) 筏形基础基本概念 由于建筑物荷载越来越大或地基承载力较低，基座所占基础面积越来越大，当达到3/4以上时，采用整板基础更经济，于是就产生了筏板基础。,一、概述,2018/1/10,13,高层建筑箱形与筏形基础技术规范(JGJ6-1999)给筏板基础的定义：“柱下或墙下连续的平板式或梁板式钢筋混凝土基础”。 从力学的角度来看，筏板基础是用作支承荷载和扩散荷载的基础结构，要求具有一定的刚度和强度，其刚度一般为有限刚度板。 Raft Foundation或Mat Foundation都是指筏板基础，而且把与建筑物平面投影尺度相近的整体基础都包括在这个范畴。,2018/1/10,14,(二) 筏形基础特点 筏板基础能够成为高层建筑常用的基础形式，是因为筏形基础具有如下一些特点： 1)能充分发挥地基承载力； 2)沉降量较小，调整地基不均匀沉降能力强； 3)具有良好的抗震性能； 4)可以充分利用地下空间； 5)施工方便； 6)在一定条件下是经济的。,2018/1/10,15,（三）筏形基础应用条件 从诸多方案中选择技术上先进、可靠，经济上合理的最优方案，需要考虑许多因素。 是否采用筏板基础，应是多种基础方案进行比较的结果。 影响基础方案选择的因素主要有： (1)上部结构特点； (2)地基土条件； (3)建筑功能； (4)抗震要求； (5)材料及施工条件； (6)工程环境； (7)基础造价； (8)工期。,2018/1/10,16,(四)常见的筏板基础类型,平板式,梁板式,2018/1/10,17,平板型筏基优点:施工简便，有利于地下室空间利用。缺点:板的厚度较大。加墩主要是为了增强板的局部抗剪切能力。板底加墩型有利于地下室的利用，板面加墩型则施工较方便。板底加墩型，基槽挖成如图所示的平滑圆弧形较好，可以避免钢筋或钢筋网弯曲。,2018/1/10,18,梁板型筏基：由梁和板组成的双向板体系。与平板型相比：材耗低、刚度大的特点。板底设梁的方案：有利于地下室空间的利用，但地基开槽施工麻烦，而且破坏了地基的连续性，扰动了地基土，导致地基承载力降低。板顶设梁的方案：便于施工，但缺点是不利于地下室空间的利用。,2018/1/10,19,（五）预应力技术在筏形基础的应用由于上海地质条件较为复杂，建筑物采用的筏板基础均相当厚。如，金茂大厦(88层)、新锦江饭店(43层)基础的混凝土底板厚度达到4m，贵都大饭店(28层)为3m，海仑宾馆(35层)为2.8m。由于一般的高层建筑筏板基础厚度在1.03.0m之间，因此，一幢具有一定体量的高层建筑的基础混凝土用量往往要上万立方米。大体积的混凝土：造成材料的浪费；增加很大的地基开挖量和围护成本，非常浪费；还有大体积混凝土的养护问题。,2018/1/10,20,徐家汇附近一个地下车库，采用预应力无梁底板和底板，板厚仅为350 mm。,上海在基础中采用预应力技术，利用预应力平衡桩土及地下水反力，使基础底板的厚度大大降低。,国外某50层的高层建筑，采用预应力筏板后，基础底板的厚度从3000mm降为1800mm，仅混凝土用量就节省了近2300m3，其经济性非常惊人。,高层建筑预应力基础的共同作用的设计理论和方法尚在探索之中。,2018/1/10,21,二、筏板基础的构造要求（一）筏基几何尺寸的确定 筏基的几何尺寸应根据地基条件、上部结构体系、墙和柱的布置、荷载大小等条件通过计算分析来确定。 由于筏基的力学性状极复杂，目前国内外对于筏基的设计都采取较保守的简化法，理由是： (1)筏板计算分析费工费时，且结果可靠性仍难以确定； (2)筏基采取保守的设计方案所增加的额外花费，相对于整个工程的造价而言是可以接受的； (3)额外花费增加了附加的安全系数，因而是可取的。 随着设计经验和研究水平的提高，筏基的设计会越来越合理。,2018/1/10,22,1. 梁板式筏基几何尺寸的确定 由于筏基的实际力学状态较难分析，而且其刚度相对箱基要小得多，因此必须重视构造要求。 对于梁板式筏基几何尺寸确定的构造要求，规范JGJ-99规定： 梁板式筏基的板厚不应小于300mm，且板厚与板格的最小跨度之比不宜小于1/20； 对12层以上的建筑，梁板式筏基的板厚不应小于400mm，且板厚与最大双向板格的短边净跨之比不得小于1/140。 对基础梁外伸的梁板式筏基，底板伸出的长度，以基础梁外皮起算横向不宜大于1200mm，纵向不宜大于600mm。,2018/1/10,23,地下室底层柱与基础梁连接构造,剪力墙,2018/1/10,24,2. 平板式筏基几何尺寸的确定 厚度：满足受冲切承载力的要求，尤其要注意边柱和角柱下板的抗冲切验算，板的最小厚度不宜小于400mm。 挑出长度：从柱外皮算起，横向不宜大于l000mm，纵向不宜大于600mm。,2018/1/10,25,(二) 筏形基础抗冲切的构造要求 筏板冲切问题比弯曲和剪切问题更为复杂，对其破坏机理研究还未得到令人满意的结果 影响筏板基础抗冲切强度的主要因素有：1)基础材料特性，如混凝土强度和配筋率等；2)冲切荷载的加荷面积、形状与筏板厚度；3)地基土的性状与边界约束条件。 筏板受内柱冲切的临界截面位置如图6-6所示。 筏板受内筒冲切的临界截面位置如图6-7所示。,2018/1/10,26,2018/1/10,27,2018/1/10,28,（三）筏基抗弯的构造要求抗弯计算是筏基弯曲内力计算的主要内容。 筏基抗弯能力主要取决于混凝土和抗弯钢筋配置。常见的抗弯钢筋配置是筏板顶面和底面采取连续双向配筋。筏板配筋率一般在0.51.0。板厚等于或大于300mm时应双层配筋。筏板受力钢筋最小直径不宜小于8mm，间距100200mm。筏板分布钢筋，直径810mm，间距200300mm。筏板分布钢筋配筋不宜粗而疏，以有利于发挥筏板的抗弯和抗裂能力。,2018/1/10,29,（四）其他构造要求筏板边角区域是刚度和强度的薄弱环节，应对边角区域采取加强措施。增加辐射状钢筋；或增大配筋量，或增加厚度。筏基的施工缝或后浇带等垂直接缝，应布置在剪力较小的部位。为了减小板厚，可在柱下采取增加弯起钢筋的措施来抵抗冲切。,2018/1/10,30,三、筏板基础计算 高层建筑筏板基础计算包括以下内容： (1)确定筏板底面尺寸和板厚； (2)确定筏基的地基反力； (3)筏板的内力计算及配筋。,2018/1/10,31,(一) 筏板基础底面积和板厚确定原则 在根据建筑物使用要求和地质条件选定筏板的埋置深度后，按地基承载力确定其基底面积，一般还应验算地基变形。 在决定平面尺寸时，可通过改变底板在四边的外挑长度调整基底形心，以减少基底截面所受的偏心矩，避免过大的不均匀沉降。 筏板厚度应根据抗剪和抗冲切强度验算确定。初拟尺寸时可根据上部结构开间和荷载大小凭经验确定，也可根据楼层层数按每层50mm估算，但不得小于构造要求。,2018/1/10,32,(二) 筏板基础的地基反力当上部结构刚度较大(如剪力墙体系、填充墙很多的框架体系)，且地基压缩模量Es4MPa时，筏基下的地基反力可按直线分布考虑；如果上部结构的荷载是比较均匀的，则地基反力也可取均匀反力； 对筏板厚度大于L/6 (L为承重横向剪力墙开间或最大柱距)的筏板且上部结构刚度较大时，筏基下的地基反力仍可按直线分布确定。为考虑整体弯曲的影响，在板端一、二开间内的地基反力应比均匀反力增加1020。若不满足上述条件，则按弹性板法确定地基反力。,2018/1/10,33,(三) 筏板基础的稳定性和沉降问题 筏基必须满足：具有抵抗剪切破坏的足够安全系数； 不会产生过大的沉降。1. 稳定性(1) 确定地基承载力 从整体稳定性角度来看，筏基是一个大基础，所以确定地基承载力的原理可适用于筏基； 对于粗粒土，大筏板的地基极限承载力很大； 对于粘性土，必须确定深埋土层的抗剪强度参数，以便分析深埋土层破坏的安全系数。,2018/1/10,34,(2) 处理措施 如果筏板基础深层抗剪破坏的安全系数不足，通过把筏板扩大以减小压力； 将筏板面积扩大的方法通常不能起明显的作用且不经济。在这种情况下，深基础能够给出一个令人满意的解答。 也可采用增大地基土抗剪强度的方法，例如对粘性土预加荷载，以及对粒状土进行压实，等。,2018/1/10,35,2. 沉降影响筏板基础沉降的因素主要有： 相对于地基土压缩性的筏板基础的相对刚度(实际上是筏板连同上部结构的相对刚度)； 地基土的类别； 压缩层的深度； 地基土的均匀性； 施工方法。 所有这些因素都对筏板基础的挠度有很大影响，应该慎重地估计这些因素对总沉降的综合影响。,2018/1/10,36,(四) 筏板内力计算 1.简化计算方法(1) 刚性板法 刚性板法是目前国内用得最多的简化方法。 JGJ 6-99规范规定：当地基比较均匀、上部结构刚度较好，且柱荷载及柱间距的变化不超过20时，筏基可仅考虑局部弯曲作用，按倒楼盖法进行计算。,倒楼盖法将基础视为倒置的楼盖，以柱子或剪力墙为支座、地基净反力为荷载，按普通钢筋混凝土楼盖来计算。,2018/1/10,37,对于框架结构下的平板式筏基：可将基础板按无梁楼盖进行计算。平板可在纵横两个方向划分为柱上板带和柱间板带，并近似地取地基反力为板带上的荷载（图6-8），其内力分析和配筋计算同无梁楼盖。,2018/1/10,38,刚性板法的具体计算步骤如下： 1) 首先求板的形心，作为x, y坐标系的原点。,2018/1/10,39,2) 求板底反力分布,式中,P刚性板上总荷载，求筏基内力时不计板自重，故p为净反力；Ix、Iy 基底对x轴、y轴的惯性距；Wx、Wy 基底对x轴、y轴的抵抗矩。,2018/1/10,40,3)在求出基底净反力后（不考虑整体弯曲，但在端部12开间内将基底反力增加10%-20），可按互相垂直两个方向作整体分析。静力平衡条件：在板任一截面上总剪力等于一边全部荷载和地基反力的代数和；总弯矩等于作用于截面一边的力矩和。例如，对截面A-A（图6-10），取左边部分时，由P=0和M=0，可求出截面A-A上的内力。,2018/1/10,41,虽然上述简单的静力平衡原理可以确定整个板截面上的剪力与弯矩，但要确定这个截面上的应力分布却是一个高度超静定的问题。,整个宽度b上的2/3弯矩值作用于中间部分，边缘各承担1/6弯矩,弯矩分布可采用分配法,中间宽为b/2两边宽为b/4,2018/1/10,42,刚性板的简化计算方法要求板上的柱距相同或比较接近且小于1.75，相邻柱荷载相对均匀，荷载的变化不超过20。,采用这种方法求得的内力一般偏大，但方法简单、计算容易。且高层建筑中的筏板基础，其板的厚度一般都比较大，多数筏板能符合刚性基础板的要求，所以常用这种方法来计算基底的反力。,2018/1/10,43,梁板式筏基 可将地基反力按45度线划分范围（图6-11） 阴影部分作为传递到横向肋梁上的荷载，其余部分作为传递到纵向肋梁上的荷载。然后按多跨连续梁分别计算纵向和横向肋梁的内力，这就是所谓的“倒梁法”。,2018/1/10,44,梁板式筏基计算步骤如下： 先计算基底反力，一般认为此基底反力是板上荷载。 将板上荷载沿板角45度线划分范围，把梁所负责区或其他集中力的所有荷载分配给相应肋梁（次梁也用此法计算）。 按连续梁计算相应梁的内力（可使用“调整倒梁法”）。 若梁间板为矩形，按单向板计算板的内力； 若梁间板为方形，按双向板计算板的内力。,2018/1/10,45,(2) 近似弹性板分析法 该法是美国ACI (American Concrete Institute)推荐方法，当筏基刚度不够大，不能采用倒楼盖法即刚性板法时，可采用弹性板法。 计算步骤如下。(1)按冲切或常规刚性法确定板厚。(2)计算筏板的抗弯刚度D,(3) 计算有效刚度半径l（柱的影响范围约为4l）,2018/1/10,46,4)计算任意点的径向和切向弯矩、剪力和挠度,2018/1/10,47,(5)径向弯矩和切向弯矩转换成直角坐标,(6)当基础板的边缘位于影响半径之内时，应进行修正。计算在影响半径之内垂直于板边缘的弯矩和剪力时，假定板是无穷大的，然后在板的边缘施加方向相反、大小相等的弯矩和剪力。(7)最后，把每一个单独柱子和墙体所算得的所有弯矩和剪力叠加，就得到总弯矩和总剪力。,2018/1/10,48,2.数值计算方法,(1) 有限差分法 采用有限差分法分析筏板基础的基本理论是弹性地基上的薄板理论，计算时用一组有限差分方程代替弹性地基上薄板的偏微分方程，作数学上的近似分析。 将筏基假设为计算网格的各结点由独立弹簧支撑的弹性薄板，由静力平衡条件可求得其基本微分方程式为：,2018/1/10,49,板单位宽度上的弯矩Mx、My和扭矩Mxy、Myx以及剪力Qx、Qy均可以表示为位移w(x,y)的微分形式。 求解上述的微分方程，可以将板划分为正方形的网格，采用有限差分方法求解。 对一个给定的筏板基础，网格中每个支点可列出一个差分方程，求解这些联立方程，就可求得所有点的挠度。这些联立方程可用计算机很快地求解。,2018/1/10,50,2.有限单元法 有限差分法不适用于计算变厚度板、带肋筏板和形状不规则的板，而这些采用有限单元法则很容易解决。 有限单元法的适应性很强，各种不同类型的筏基均可计算，尤其是分析梁板式筏基最为理想。,2018/1/10,51,2018/1/10,52,天然地基基础方案是最经济的基础方案。 天然地基基础造价仅为桩基方案的17%67。天然地基基础方案是应用最多的基础形式。即使在多地震的日本，统计资料表明，其高层和超高层建筑采用天然地基基础方案也占总基础形式的57%。在国外经济发达国家，高层、超高层建筑在选择基础方案时，天然地基基础方案是首选方案，其中又以筏形基础应用最多。,四、工程实例,2018/1/10,53,美国有些城市对桩基的应用有一定限制。美国休士敦市城区的表层土属于有裂隙的膨胀土，在地面下730m则有一层比较致密的超固结的砂质粘土或粘土，其下又是正常固结的粘土，而岩层则埋藏很深。美国休士敦市高层建筑多采用深开挖的筏形基础。56层的共和银行中心、72层的联合银行塔楼直至75层的德州商业银行大厦都采用了天然地基筏形基础。,2018/1/10,54,我国至今在高大建筑物上直接利用天然地基还十分谨慎，随着设计经验的丰富和水平的提高，设计人员进行了大胆的探讨与实践。如，在地基软弱的天津和杭州，直接在天然地基上建成了15层的天津三多里高层住宅和10层的杭州华家饭店。深圳1986年以前高层建筑全部采用桩基，1987年白沙岭小区18层住宅楼采用天然地基。郑州32层黄和平大厦（ 1988年建成），原设计采用桩基，后经专家论证取消了桩基方案改用天然地基基础（地下2层）。,2018/1/10,55,郑州32层黄和平大厦,杭州华家饭店,2018/1/10,56,太原第二热电厂四期工程主厂房天然地基筏基实例,拟建主厂房结构体系如图6-15所示。 拟建厂房位于太原市北郊，距市区约15km，厂区15km2范围内出露地层均为第四系松散沉积层，根据勘探结果，地层分为四大层，其中第III、层各有3个亚层。 各层土的物理力学性质指标见表6-3。扩建场地地下水位为-4.103.10m，年变幅1.201.50m，厂区地震基本烈度为8度，中软场地，B类场地土。无可液化地层。,2018/1/10,57,2018/1/10,58,表6-3 地基土的物理力学性质指标,2018/1/10,59,大型火力发电厂基础及地基处理的费用占土建投资的相当比例。因此选择安全、经济合理的地基基础方案具有很大的经济意义。 首先考虑天然地基方案：根据场地土较软，承载力较低，荷载较大等特点，选用梁板式筏形基础。梁板式筏基节省材料，整体性好，刚度大，能承受较大荷载