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

1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级*2022/6/241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2021年 高 层 建 筑 基 础在线教务辅导网： :/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：第六章 高层建筑根底结构设计第一节 一般性的规定1.箱形和筏形根底的平面尺寸 箱形和筏形根底的平面尺寸，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。 宽长2022/6/243当不能重合时，在永久荷载与活荷载长期效

2、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根底底面边缘抵抗矩； A根底底面积。 2. 基底平面形心宜与结构竖向荷载重心重合3. 上部结构嵌固部位确实定 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)。 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)； 否那么认为上部结构嵌固在箱基或筏基的顶部。4. 根底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 采用筏基方案的重要目的

3、就是扩大地下室的使用面积，提高地下室的使用功能。但对根底的防渗要求越来越高。 箱形根底的混凝土强度不低于C25；筏基和桩箱、桩筏根底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。 对重要建筑宜采用自防水并设架空排水层方案。 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 目前的防渗在技术上并未完

4、全解决，因此，堵漏技术相应开展起来。 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。 工程上常用的防水方案第二节 筏形根底 (一) 筏形根底根本概念 由于建筑物荷载越来越大或地基承载力较低，基座所占根底面积越来越大，当到达3/4以上时，采用整板根底更经济，于是就产生了筏板根底。 一、概述 ?高层建筑箱形与筏形根底技术标准?(JGJ6-1999)给筏板根底的定义：“柱下或墙下连续的平板式或梁板式钢筋混凝土根底。 从力学的角度来看，筏板根底是用作支承荷载和扩散荷载的根底结构，要求具有一定的刚度和强

5、度，其刚度一般为有限刚度板。 Raft Foundation或Mat Foundation都是指筏板根底，而且把与建筑物平面投影尺度相近的整体根底都包括在这个范畴。(二) 筏形根底特点 筏板根底能够成为高层建筑常用的根底形式，是因为筏形根底具有如下一些特点： 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。三筏形根底应用条件 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。 是否采用筏板根底，应是多种根底方案进行比较的结果。 影响根底方案选择的因素主

6、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)根底造价； (8)工期。 (四)常见的筏板根底类型 平板式梁板式平板型筏基优点: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，板面加墩型那么施工较方便。板底加墩型，基槽挖成如下图的平滑圆弧形较好，可以防止钢筋或钢筋网弯曲。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

7、，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。五预应力技术在筏形根底的应用由于上海地质条件较为复杂，建筑物采用的筏板根底均相当厚。如，金茂大厦(88层)、新锦江饭店(43层)根底的混凝土底板厚度到达4m，贵都大饭店(28层)为3m，海仑宾馆(35层)为。由于一般的高层建筑筏板根底厚度在之间，因此，一幢具有一定体量的高层建筑的根底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本钱，非常浪费；还有大体积混凝土的养护问题。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。 上海在根底中采用预应力技术，利用

8、预应力平衡桩土及地下水反力，使根底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，根底底板的厚度从3000mm降为1800mm，仅混凝土用量就节省了近2300m3，其经济性非常惊人。高层建筑预应力根底的共同作用的设计理论和方法尚在探索之中。二、筏板根底的构造要求一筏基几何尺寸确实定 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

9、是可以接受的； (3)额外花费增加了附加的平安系数，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。1. 梁板式筏基几何尺寸确实定 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，标准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。 对根底梁外伸的梁板式筏基，底板伸出的长度，以根底梁外皮起算横向不宜大于1200mm，纵向不宜大于600mm

10、。地下室底层柱与根底梁连接构造八字角剪力墙2. 平板式筏基几何尺寸确实定 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。 (二) 筏形根底抗冲切的构造要求 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 影响筏板根底抗冲切强度的主要因素有：1)根底材料特性，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

11、所示。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。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。 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

12、钢筋的措施来抵抗冲切。 三、筏板根底计算 高层建筑筏板根底计算包括以下内容： (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。(一) 筏板根底底面积和板厚确定原那么 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，防止过大的不均匀沉降。 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。(二) 筏板根底的地基反力当上

13、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，那么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。假设不满足上述条件，那么按弹性板法确定地基反力。 (三) 筏板根底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平安系数； 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

14、大根底，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平安系数。(2) 处理措施 如果筏板根底深层抗剪破坏的平安系数缺乏，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，深根底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。 2. 沉降影响筏板根底沉降的因素主要有： 相对于地基土压缩性的筏板根底的相对刚度(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

15、匀性； 施工方法。 所有这些因素都对筏板根底的挠度有很大影响，应该慎重地估计这些因素对总沉降的综合影响。(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标准规定：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。 倒楼盖法将根底视为倒置的楼盖，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。 对于框架结构下的平板式筏基：可将根底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

16、和配筋计算同无梁楼盖。 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。 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。 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，取左边局部时，由P=0和M=0，可求出截面A-A上的内力。 虽然上述简单的静力平衡原理

17、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弯矩值作用于中间局部，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 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，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根底，其板的厚度一般都比较大，多数筏板能符合刚性根底板的要求，所以常用这种方法来计算基底的反力。 梁板式筏基 可将地基反力按45度线划分范围图6-11 阴影局部作为传递到横向肋梁上的荷载，其余局部作为传递到纵向肋梁上的荷载。

18、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。 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。 假设梁间板为矩形，按单向板计算板的内力； 假设梁间板为方形，按双向板计算板的内力。 (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

19、。(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4l4)计算任意点的径向和切向弯矩、剪力和挠度(5)径向弯矩和切向弯矩转换成直角坐标(6)当根底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。 2.数值计算方法 (1) 有限差分法 采用有限差分法分析筏板根底的根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

20、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根本微分方程式为： 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。 对一个给定的筏板根底，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。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那么的板，而这些采用有限单元法那么很容易解决。 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。 天然地基根底方

21、案是最经济的根底方案。 天然地基根底造价仅为桩基方案的17%67。天然地基根底方案是应用最多的根底形式。即使在多地震的日本，统计资料说明，其高层和超高层建筑采用天然地基根底方案也占总根底形式的57%。在国外经济兴旺国家，高层、超高层建筑在选择根底方案时，天然地基根底方案是首选方案，其中又以筏形根底应用最多。 四、工程实例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那么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，而岩层那么埋藏很深。美国休士敦市高层建筑多采用深开挖的筏形根底。56层的共和银行中心、72层的联合银行塔楼直至75

22、层的德州商业银行大厦都采用了天然地基筏形根底。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根底地下2层。郑州32层黄和平大厦杭州华家饭店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，年变幅，厂区地震根本烈度为8度，中软场地，B类场地土。无可液化地层。 表6-3 地基土的物理力学性质指标 大型火力发电厂根底及地基处理的费用占土建投资的相当比例。因此选择平安、经济合理的地基根底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