高层建筑基础选型及高层建筑及复杂和超高层建筑的基础设计

高层建筑基础选型摘要：随着社会及经济的迅速发展，高层建筑的产生满足了人们对现代化都市生活的追求,空间上的发展也节约了土地的使用，同是也是一个城市现代化程度的标志。高层建筑越来越被广泛应用，高层建筑基础是决定高层建筑安全性与稳定性的关键，其关系到建筑的稳定性和使用寿命，因此高层建筑基础的选型意义深远。基础的选型也是高层建筑结构得以保证的基础。高层建筑基础结构承担着高层建筑上部结构的荷载传递给地基的重要作用，在设计时应将高层建筑上部结构、基础与地基共同考虑，选择合理的基础类型。关键词：高层建筑；地基类型；荷载传递；地基1、地基选型的重要性高层建筑基础如果设计方法或选型不当，将严重影响建筑物的安全性。不恰当的基础设计将造成建筑物开裂或倾斜，引起难以修复的工程质量问题。在高层建筑结构中，基础是高层建筑建造过程中的基础性内容。因为在对地基基础进行具体设计过程中,地基基础的设计难度较大，高层建筑的地基基础设计受很多因素的影响。地面土质结构和地下的岩土成分等是外部的基本条件；建筑身的层高、地下室层数和建筑的内部结构对地基的压迫程度是建筑自身对地基基础的限制条件；与普通的多层建筑设计相比，由于影响高层建筑地基基础因素较多，所以设计过程中需要考虑的设计要求相对复杂。[1]因此，在地基基础设计过程中，不仅要考虑建筑外观设计概念上的要求，更重要的是地面条件和建筑结构对高层建筑提出的具体宫观要求。选择合理的基础形式是降低造价的有效手段，基础工程在建筑工程造价中占有很大的比重。基础工程在建筑工程造价中占有很大的比重，通常情况下可以达到25%左右，在结构复杂或者地质情况复杂时，所占比重还会有所增加。因此，选择合理的基础形式能够有效降低工程造价。[2]合理选择基础形式对缩短施工工期具有重要意义。据统计，基础工程的施工工期可以占到土建工程工期的30%左右，因此正确选择合理的基础形式对节省施工工期有很大的意义。2、影响基础选型的因素高层建筑基础设计比一般建筑基础要更复杂，总的来说，它具有荷载大，埋置深及要求严的特点，在选择基础型式时与建筑物的使用性质、上部结构类型、地质情况、抗震性能、对周围建筑物的影响及施工条件等有密切的关系。[3]在一般情况下，基础选型与设计时应考虑以下因素：2.1地质条件的影响地质条件是影响高层基础选型的一个非常重要因素，虽然建设场地的地质条件在多数情况下是隐蔽的、复杂的和可变的，但目前的工程勘察和技术手段，可以准确把握场地的基本情况，作为设计人员，对提供的地质资料要能够进行准确分析和正确判断，进而能够合理地进行基础设计，并在施工过程中根据具体的地质条件变化修改设计。2.2上部建筑结构形式的影响不同的上部结构，对地基不均匀沉降的敏感程度也不相同，对地基不均匀沉降越敏感的上部结构，则应选择刚度较大的基础形式。因此要根据上部结构的不同结构形式(框架、框架剪力墙、剪力墙结构等)选配合理的基础型式。要根据建筑结构的特点，例如荷载大小、建筑物层数、高度、跨度大小等因素来选择最佳的基础形式。高层建筑基础设计应满足建筑物使用上的具体要求。[4]例如要满足人防、地下车库、地下商场等各种建筑类型的具体要求。同时高层建筑基础设计还要满足构造的要求。例如箱型基础，要满足埋深、高度，基底平面形心与结构竖向静荷载重心相重合，偏心距、沉降控制等要求。高层建筑对地震作用更加敏感，在地震作用下，基础可能出现过大变形、不均匀沉降和倾覆，所以在基础选型时，一定要充分考虑到地震作用的影响。2.3周围环境周围已有建筑物对基础选型影响也很大，如与已建建筑物间距过小时，若采用筏型或箱型基础，在深基坑开挖时，是否会对已有建筑物的基础或主体造成局部下沉、开裂等；如基础采用预制桩，打桩时的震动能否造成已有建筑物开裂或女儿墙、雨篷等构件的倾覆、倒塌、坠落等。[5]同时也要考虑的是周边环境的振动与噪声以及施工空间的大小。施工队伍素质能否保证施工质量；材料、设备、机具等能否就近购买或租赁；施工期间的气候条件等都是影响基础选型的因素。2.4工程造价对于任何一个工程，性价比和工期都是首当其冲要考虑的。基础选型也不例外，因此基础型式的最后选定还应通过对设计方案进行全面的技术经济论证，通过多种方案的比较，使基础的造价最小。不仅要看基础的承载力或仅考虑施工速度而忽略整个工程的综合经济效益是不可行的，应在满足功能的前提下，选用造价最经济的基础设计方案。3、基础类型高层建筑的上部结构荷载很大，基础底面压力也很大，一般的独立基础已不能满足承载力的技术要求，因此，应采用特殊形式的基础，常用的基础形式有梁式基础、筏形基础、箱形基础、桩基础、地下连续墙基础等。同时也存在这些基础联合使用的情况。[6]3.1条形基础是基础长度远远大于宽度的一种基础形式。按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础，基础的长度大于或等于10倍基础宽度。布置在一条轴线上且与两条以上轴线相交，有时也和独立基础相连，但截面尺寸与配筋不尽相同。横向配筋为主要受力钢筋，纵向配筋为次要受力钢筋或者是分布钢筋。[7]主要受力钢筋布置在下面。3.2交梁式基础它是用两个方向的梁式基础把纵横两个柱相互联系起来。当地基承载力较高，上部的柱子传来的荷载较大。适用于没有地下室，且单独基础或柱下条形基础均不能满足地基承载力要求时,可在柱网下纵横两向设置交梁式基础(也称十字交叉条形基础)。[8]这种基础进一步扩大了基础底面积，空间整体刚度亦进一步增大，可以更好地调整地基的不均匀沉降。3.3筏形基础它是由钢筋混凝土组成的覆盖建筑物全部底面积的连续底板构成。筏形基础的平面尺寸应根据地基士的承载力、上部结构的布置及其载荷的分布等因素确定。筏形基础又有平板式和梁板式两种类型。有地下室和没有地下室的情况都适用。建筑物荷载较大，地基承载力较弱，常采用砼底板，承受建筑物荷载，形成筏基，其整体性好，能很好的抵抗建筑物不均匀沉降。3.4箱型基础这种基础刚度很大，可减少建筑物的不均匀沉降。高层建筑一般设地下它可结合使用要求设计成箱型基础。箱型基础是由钢筋混凝土的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙构成封闭的箱体。它的整体外形如箱，是一个整体结构。它适用于作软弱地基上的面积较小，平面形状简单，荷载较大或上部结构分布不均的高层重型建筑物的基础及对沉降有严格要求的设备基础或特殊构筑物，但混凝土及钢材用量较多，造价也较高。但在一定条件下采用，如能充分利用地下部分，那么在技术上、经济效益上也是较好的。[9]3.5桩基础桩基础由设置于土中的桩和承接基础结构和上部结构的承台组成。其中桩包括预制桩、灌注桩、人工挖孔桩和钢桩等，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，尤其是对于软弱地基土上的高层建筑，桩基础是最理想的基础形式之一。它适用于浅表土层软弱，在较深处有能承受较大荷载土层作为桩基础的持力层；在较大深度范围内，土层均较软弱，且承载力较低；高层建筑结构传递给基础的垂直和水平荷载很大；高层建筑对于不均匀沉降非常敏感和控制严格。3.6地下连续墙这是在土中钻、挖、冲孔成槽，在槽内安放钢筋网，浇注混凝土而形成的一种地下钢筋混凝土墙体。地下连续墙是基础工程在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽内吊放钢筋笼，然后用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁，作为截水、防渗、承重、挡水结构。它的适用范围很广，如建筑物地下室，水池，设备基础、地下铁道、船闸、护岸防渗墙等，均可采用地下连续墙，既可以做基础又可以做支护。3.7联合基础有时为了加强基础结构的整体性和稳定性，如提高其抵御水平荷载的能力；一定程度上调整不均匀沉降的能力、防水能力等，要将两种或两种以上的基础形式联合使用。如当受地质或施工条件限制，单桩的承载力不高，而不得不布置满堂桩或局部满堂桩才可以支承建筑荷载时可考虑桩基础与筏板基础联合使用；当在软弱地基土上建造高层建筑时可考虑桩基础与箱型基础联合使用，还有其他的联合使用形式，不再解释。4、地基选型的要求基础是房屋结构的重要组成部分，房屋所受的各种荷载都要经过基础传至地基。由于高层建筑层数多、上部结构荷载很大，导致使其基础具有埋置深度大，材料用量多，施工周期长，工程造价高等特点。为此，高层建筑基础设计时应满足以下几方面的要求：基础的总沉降量和差异沉降量满足规范规定的允许值；高层建筑基础首先应满足基础本身的强度要求，上部荷载分布应尽量均匀，满足天然地基或复合地基承载力及桩基承载力的要求；高层建筑基础设计.应满足建筑物使用上的要求,例如人防要求、设置地下车库、地下酒吧、地下商场、地下餐厅等要求；高层建筑基础一般埋置较深，因此应考虑深基坑开挖及地下水抽排对周围建筑物的影响，以及地下水造成施工难度的增加和对工程质量的影响。即地下结构应满足建筑防水的要求。预先估计在基础施工过程中对毗邻房屋或市政设施的影响，并尽可能避免或减轻这种影响和干扰。应考虑综合经济效益，不仅考虑基础本身的用料和造价，还应考虑土方、降水、施工条件和工期等因素。地震区的高层建筑宜选择对抗震有利的地段，避开不利地段，当条件不允许避开不利地段时，应采取可靠措施，使建筑物在地震时不致由于地基失稳而破坏，或者产生过量下沉或倾斜。基础应支承在较坚固或较均匀的地基上.应考虑持力层及其下卧层的整体稳定.同一栋建筑不宜采用多种不同类型的基础型式。[10]高层建筑基础的设计对房屋的正常使用和安全至关重要，在基础工程设计中，根据各地区不同的地质条件，岩土工程勘探资料，综合考虑上部结构类型、材料情况、施工条件和使用功能要求等因素，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量，选择合理的基础型式。5、注意事项高层建筑的箱基、筏、桩基承台因防渗等要求对于大体积混凝土采用干缩性小抗裂性好的中低热矿渣碳酸盐水泥，用石子比采用5-25mm粒径石子要好，因可减少用水量，混凝土收缩和渗水现象亦可随之减少，但必须调节级配设计，加强浇灌和振捣，防止混凝士离析，以及采用中、粗砂做细骨料，可减少用水量和水泥用量，从面减少混凝土的收缩。采用箱形基础是应注意底层柱主筋伸入箱基墙体的深度为外柱。剪力相连的柱，仅一边和四周无墙的地下室内柱应全部直通到基底其他内柱可将四角主筋直通到箱基底。其余钢筋可伸入墙体内45倍直径长度。当有多层箱基础时，上述主筋可伸海基的最上一层墙底即可。当筏形基础落在岩石上而又不设地下室时为了保证结构的整体稳定防止倾复和滑移，应向设计单位提出追加地等必要措施。[11]相比于普通建筑的柔性，高层建筑的柔性更具优势，当高层建筑受到外界因素影响时，更容易发生变形，因此在高层建筑基础的设计过程中，应注重高层建筑的延性问题，将延性问题放入高层建筑基础设计的考虑范围，并作为重要的设计标准对高层建筑进行设计，确保高层建筑变形后仍然保持良好的状态，避免出现楼层倒塌的情况，保证高层建筑的安全、可靠。在高层建筑的建设过程中，要注意建筑的载荷问题，即水平载荷与竖向载荷对整个高层建筑的影响。水平载荷是为了保证高层建筑在收到侧向力时依旧保持整个建筑的稳定和平衡。建筑结构在一定外力的作用下容易出现位移，有轴向位移、剪切变形以及弯曲的情况，高层建筑的轴向比较大，变形更加明显，高层建筑出现轴向变形后会对建筑的结构内力产生影响。6、结语.要建成一栋成功的高层建筑，首先要打好基础，地基基础工程是建筑工程的根基，其施工质量的好坏关系到整个建筑工程项目成功与否。所以，做好地基处理并且选择项目最为合适的基础类型，是高层建筑后续工作稳定顺利进行的保证，也为工程项目投入使用后的使用安全提供了保障。我们必须的对高层建筑基础进行合理的选型，使它具有高度的科学性。这样才能满足高层建筑复杂基础使用的要求。摘要:[1]施骞、胡文发，工程质量管理[M].上海：同济大学出版社，2005。[2]魏连雨，建设项目管理[M].北京：中国建材出版社，2005。[3]肖佳，勾成福，混凝土碳化研究综述[J]混凝土,2010。[4]张荣才,钢性桩复合地基和柱基础设计计算理论对比印防灾[J]科技学院报，2017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选择承载力较大一些的构建，可以有效避免地震能量扩散，降低地震的危害程度。在涉及建筑结构时，要对现场的地震指数进行勘探，应用现代化信息技术，综合分析抗震指数，与抗震措施，使建筑物拥有良好的抗震功能