论文部分内容阅读
【摘 要】 本文首先阐述了建筑基础结构设计理论和建筑基础结构选型，然后分析了建筑基础结构设计要点，最后探讨了建筑基础结构设计的注意事项。
【关键词】 建筑基础；结构设计；基础结构选型；设计要点；注意事项
随着我国经济的高速发展，高层建筑在我国的工程建设中也越来越普遍，而高层建筑基础作为高层建筑结构体系的一个重要组成部分，也日益被业内人士所重视。在进行地基基础设计时除了保证基础本身应具有足够的强度和刚度外，还应考虑地基的强度、稳定性及变形的要求，为使基础设计更合理，应综合考虑上部结构、基础和地基的共同作用。
1 建筑基础结构设计理论
1.1上部结构的刚度对基础受力状况的影响
假设上部结构为绝对刚性，当地基变形时，各竖向构件只能均匀下沉；如忽略竖向构件端部的抗转动能力，则竖向构件支座可视为基础梁的不动铰支座，亦即基础梁犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，却以基底分布反力为外荷载，产生局部弯曲。反之，假设上部结构为绝对柔性，对基础的变形毫无约束作用，于是基础梁在产生局部弯曲的同时，还经受很大的整体弯曲。于是，两种情况下基础梁的内力（例如弯矩）分布形式与大小产生很大的差别。实际结构物常介于上述两种情况，其整体刚度的考虑非常困难，只能依靠计算软件分析。在地基、基础和荷载条件不变的情况下，增加上部结构的刚度会减少基础的相对挠曲和内力，但同时导致上部结构自身内力增加，即是说，上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应注意的是上部结构的刚度贡献也并不是无限。
1.2地基条件对基础受力状况的影响
基础受力状况（乃至上部结构的受力状况）还取决于地基土的压缩性（即软硬程度或刚度）及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时（例如基础坐落在未风化的基岩上），基础结构不仅不产生整体弯曲，局部弯曲亦很小；上部结构也不会因不均匀沉降产生次应力。实践中最常遇到的情况却是地基土有一定的可压缩性，且分布不均，这样，基础弯矩分布就截然不同。基础与地基界面处往往显示出摩擦特征。由于土的强度有限，形成的摩擦力也有限，不会超过土的抗剪强度。孔隙水压力的变化，可能改变压缩过程中摩擦力的大小与分布。此外，外荷载的分布和性质、基础的相对柔度以及土的蠕变等涉及时间变化的效应等都会影响到界面条件。因此，应从完全光滑一直到完全粘着这两种极端情况之间来慎重估计界面摩擦的影响。
1.3上部结构与基础和地基共同作用的概念及分析方法
上部结构与地基和基础三者是彼此不可分离的整体，每一部分的工作性状都是三者共同作用的结果。共同作用分析，就是把上部结构、基础和地基看成是一个彼此协调工作的整体，在连接点和接触点上满足变形协调的条件下求解整个系统的变形与内力。在共同作用分析中，上部结构和基础通常是由梁、板组成，因此可以采用有限单元法、有限条法、有限差分法或解析方法建立上部结构和基础的刚度矩阵，并利用变形协调条件与地基的刚度矩阵耦合起来。地基首先需确定采用何种地基模型：线弹性地基模型，非线弹性地基模型还是弹塑地基模型。然后建立地基的刚度矩阵。当然也可以采用有限单元法、有限差分法或解析法建立地基的刚度矩阵。但是习惯上用所谓的结构力学法来建立各种地基模型的柔度矩阵，然后求逆得到它们的刚度矩阵，与上部结构和基础的刚度矩阵耦合起来，从而求得地基反力和沉降。
在共同作用分析中，可以根据实测结果把基础和上部结构的实际刚度进行共同作用分析，并考虑施工过程的影响，把结构荷载和刚度形成情况分别考虑来进行共同作用分析。
2 建筑基础结构选型
2.1嵌岩桩基础
高层建筑基础承载着上部结构巨大的荷载，要选择适当的持力层来承担巨大的荷载力，因此通常会选择一定厚度的中风化岩层作为持力层，利用嵌岩桩将上部结构荷载传至岩层，分散建筑物本身所承载的压力。采用嵌岩桩基础的优点是持力层变形几乎趋向于零，桩尖承载力大，同时还可以利用简单的经验公式计算其单桩承载力，可以给出粗略的承载压力，更好的评估上部结构载荷对基础承载力的要求，施工更准确。但是对桩身质量检测的时间较长，需等混凝土强度达到设计要求才能進行全年的检测，这就导致施工周期较长，造价偏高。
2.2钢筋混凝土扩展基础
在建筑基础设计中，钢筋混凝土扩展基础也是常用的基础设计结构。由于钢筋和混凝土的摩擦力、胶结力、咬合力极大增强了地基的受压、受拉能力，这类基础结构可以坚硬如石；由于其采用整体钢筋混凝土结构，因此抗弯和抗剪性能良好，通常在建筑中采用墙下钢筋混凝土条形基础和柱下钢筋混凝土独立基础两种形式的基础构型。钢筋混凝土扩展基础适用于地基荷载较小以及承受水平力和力矩荷载等情况下使用，而且其具有施工方便、工期短、节约投资等优点，建议设计人员在条件允许情况下尽量选用。
2.3桩筏基础
有些区域土质层松软、地基承载力不足，不适合嵌岩桩或摩擦桩基础和钢筋混凝土扩展基础，因为在这种地质条件下岩桩基础不能实现，同时摩擦桩承载力不一定满足高层建筑上部结构的载荷承受要求。同时对于有地下室的建筑，由于荷载大，常采用筏板基础，这类基础构建的承载力强，可以满足高层建筑的沉降要求。桩筏基础是筏板底土层与摩擦桩共同承担上部结构荷载，因此在设计中要求筏板底土层具有一定的承载力，在设计中应当考虑上部建筑的载荷比例。桩筏基础是把柱下独立基础或者条形基础全部用联系梁联系起来，下面再整体浇注底板。筏板基础分为平板式筏基和梁板式筏基，平板式筏基支持局部加厚筏板类型；梁板式筏基支持肋梁上平及下平两种形式。一般说来地基承载力不均匀或者地基软弱的时候用筏板型基础。而且筏板型基础埋深比较浅，甚至可以做不埋深式基础。
2.4其他基础构型
在高层建筑基础设计中还可采用联合基础、壳体基础、箱体基础等等。总之，进行地基基础设计时，必须充分考虑建筑条件和地基岩层状况，综合施工周期、造价和施工条件，选取合理安全的基础设计方案。 3 建筑基础结构设计要点
任何建筑物基础设计前必须掌握足够的资料，这些资料包括两大部分：一部分是地质资料，另一部分是有关上部结构资料。对这些资料的要求可根据需要而有所区别。对于高层建筑一般要求更详细的资料，在分析地质资料时应注意对地基类型进行判别并考虑可能发生的问题，要研究土层的分布，查明地下水及地面水的活动规律，调查拟建建筑物周围及地下的情况，在分析上部结构时应特别注意建筑物的重要性、建筑物体型的复杂程度和结构类型及其传力体系。任何一个成功的基础工程都必须能满足以下各项稳定性及变形要求：
1）埋深应足以防止基础底面下的物质向侧面挤出，对单独基础及筏形基础尤为重要。
2）埋深应在冻融及植物生长引起的季节性体积变化区以下。
3）体系在抗倾覆、转动、滑动或防止土破坏（抗剪强度破坏）方面必须是安全的。
4）体系对土中的有害物质所引起的锈蚀或腐蚀方面必须是安全的，在利用垃圾堆筑地时，这点尤为重要。
5）体系应足以对付以后在场地或施工几何尺寸方面出现的某些变化，并在万一出现重大变化时能便于变更。
6）从设置方法的角度看，基础应是经济的。
7）地基总沉降量及沉降差应为基础构件和上部结构构件所容许。
8）基础及其施工应符合环境保护标准的要求。
4 建筑基础结构设计的注意事项
4.1重视地基基础的设计等级。
《地基规范》3.0.1条规定，根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征等条件，将地基基础的设计统一分为三个等级。而在3.0.2条规定，根据高层建筑地基基础的设计等级同时考虑地基变形（在长期荷载作用下）对上部结构的影响，地基基础设计须满足如下要求：①所有建筑物的地基承载力设计须满足要求；②属于甲、乙级设计等级的建筑，应进行地基变形验算；③属于丙级的建筑有《地基规范》规定的5种情况之一时，应作变形验算。
4.2抗浮设计时应区分实际情况进行抗浮验算
①抗浮验算时上部结构永久荷载须乘以分项系数，分项系数可根据《荷载规范》或当地地区标准取值，验算建筑物抗浮能力应满足：建筑物永久荷载水浮力≥1.0，其中，永久荷载取标准值，永久荷载与水浮力的分项系数按《荷载规范》取值。②当结构基础设计需要采取抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待。当高层建筑主体基础与裙房地下结构空间连成整体，均采用桩基，可采取抗拔桩来解决抗浮问题；当主体与裙房地下结构空间未连成整体，采用天然地基会产生沉降差，则抗浮常采取配重（配重材料通常采用素混凝土，重度大于等于30kN/m3钢渣混凝土或砂石料）的方法。
4.3了解设置地下室对基础设计与整体结构的影响。
①高层建筑设置地下室除了能增加建筑物的使用空间功能（如作停车库、设备机房等）外，还会对地基基础和地面以上的整体结构的受力性能有很大的贡献。地下室深基坑的开挖，对天然地基或復合地基的基础能起到很大的卸载和补偿作用，从而减少了地基的附加压力，增强了地基承载力的计算值。②地下室周边后期夯实的回填土对埋深较大的地下室外圈混凝土墙施加了被动土压力的同时，还对外圈挡土墙产生摩阻力，使基础的稳定性得以增强。同时使基础板底反力平缓分布。根据结构设计经验，通常将地下室埋置深度不小于高层建筑总高度的1/11～1/9时，可不考虑由于偏压引起的整体倾覆问题。所以，对于高层建筑的基础设计，必须加强对地下室周边回填土的质量要求和控制，土回填越密实，抗剪强度越高，提供的被动土压力也就越大，对基础的稳定越有保证。
5 结语
综上所述，高层建筑的上部结构，基础及地基组成了一个共同作用的体系，在进行高层建筑基础设计中，要有效利用上部结构刚度，充分考虑地基条件对基础受力的影响，合理选择基础形式，运用共同作用的原理设计地基和基础，达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。
参考文献：
[1]郭惠.关于高层建筑基础设计的几点思考[J].金陵职业大学学报，2000（01）
[2]金子巍.高层建筑基础设计探讨[J].设计技术.2012
[3]李明艳.浅析高层建筑的基础设计[J]工程建设与设计.2012
【关键词】 建筑基础；结构设计；基础结构选型；设计要点；注意事项
随着我国经济的高速发展，高层建筑在我国的工程建设中也越来越普遍，而高层建筑基础作为高层建筑结构体系的一个重要组成部分，也日益被业内人士所重视。在进行地基基础设计时除了保证基础本身应具有足够的强度和刚度外，还应考虑地基的强度、稳定性及变形的要求，为使基础设计更合理，应综合考虑上部结构、基础和地基的共同作用。
1 建筑基础结构设计理论
1.1上部结构的刚度对基础受力状况的影响
假设上部结构为绝对刚性，当地基变形时，各竖向构件只能均匀下沉；如忽略竖向构件端部的抗转动能力，则竖向构件支座可视为基础梁的不动铰支座，亦即基础梁犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，却以基底分布反力为外荷载，产生局部弯曲。反之，假设上部结构为绝对柔性，对基础的变形毫无约束作用，于是基础梁在产生局部弯曲的同时，还经受很大的整体弯曲。于是，两种情况下基础梁的内力（例如弯矩）分布形式与大小产生很大的差别。实际结构物常介于上述两种情况，其整体刚度的考虑非常困难，只能依靠计算软件分析。在地基、基础和荷载条件不变的情况下，增加上部结构的刚度会减少基础的相对挠曲和内力，但同时导致上部结构自身内力增加，即是说，上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应注意的是上部结构的刚度贡献也并不是无限。
1.2地基条件对基础受力状况的影响
基础受力状况（乃至上部结构的受力状况）还取决于地基土的压缩性（即软硬程度或刚度）及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时（例如基础坐落在未风化的基岩上），基础结构不仅不产生整体弯曲，局部弯曲亦很小；上部结构也不会因不均匀沉降产生次应力。实践中最常遇到的情况却是地基土有一定的可压缩性，且分布不均，这样，基础弯矩分布就截然不同。基础与地基界面处往往显示出摩擦特征。由于土的强度有限，形成的摩擦力也有限，不会超过土的抗剪强度。孔隙水压力的变化，可能改变压缩过程中摩擦力的大小与分布。此外，外荷载的分布和性质、基础的相对柔度以及土的蠕变等涉及时间变化的效应等都会影响到界面条件。因此，应从完全光滑一直到完全粘着这两种极端情况之间来慎重估计界面摩擦的影响。
1.3上部结构与基础和地基共同作用的概念及分析方法
上部结构与地基和基础三者是彼此不可分离的整体，每一部分的工作性状都是三者共同作用的结果。共同作用分析，就是把上部结构、基础和地基看成是一个彼此协调工作的整体，在连接点和接触点上满足变形协调的条件下求解整个系统的变形与内力。在共同作用分析中，上部结构和基础通常是由梁、板组成，因此可以采用有限单元法、有限条法、有限差分法或解析方法建立上部结构和基础的刚度矩阵，并利用变形协调条件与地基的刚度矩阵耦合起来。地基首先需确定采用何种地基模型：线弹性地基模型，非线弹性地基模型还是弹塑地基模型。然后建立地基的刚度矩阵。当然也可以采用有限单元法、有限差分法或解析法建立地基的刚度矩阵。但是习惯上用所谓的结构力学法来建立各种地基模型的柔度矩阵，然后求逆得到它们的刚度矩阵，与上部结构和基础的刚度矩阵耦合起来，从而求得地基反力和沉降。
在共同作用分析中，可以根据实测结果把基础和上部结构的实际刚度进行共同作用分析，并考虑施工过程的影响，把结构荷载和刚度形成情况分别考虑来进行共同作用分析。
2 建筑基础结构选型
2.1嵌岩桩基础
高层建筑基础承载着上部结构巨大的荷载，要选择适当的持力层来承担巨大的荷载力，因此通常会选择一定厚度的中风化岩层作为持力层，利用嵌岩桩将上部结构荷载传至岩层，分散建筑物本身所承载的压力。采用嵌岩桩基础的优点是持力层变形几乎趋向于零，桩尖承载力大，同时还可以利用简单的经验公式计算其单桩承载力，可以给出粗略的承载压力，更好的评估上部结构载荷对基础承载力的要求，施工更准确。但是对桩身质量检测的时间较长，需等混凝土强度达到设计要求才能進行全年的检测，这就导致施工周期较长，造价偏高。
2.2钢筋混凝土扩展基础
在建筑基础设计中，钢筋混凝土扩展基础也是常用的基础设计结构。由于钢筋和混凝土的摩擦力、胶结力、咬合力极大增强了地基的受压、受拉能力，这类基础结构可以坚硬如石；由于其采用整体钢筋混凝土结构，因此抗弯和抗剪性能良好，通常在建筑中采用墙下钢筋混凝土条形基础和柱下钢筋混凝土独立基础两种形式的基础构型。钢筋混凝土扩展基础适用于地基荷载较小以及承受水平力和力矩荷载等情况下使用，而且其具有施工方便、工期短、节约投资等优点，建议设计人员在条件允许情况下尽量选用。
2.3桩筏基础
有些区域土质层松软、地基承载力不足，不适合嵌岩桩或摩擦桩基础和钢筋混凝土扩展基础，因为在这种地质条件下岩桩基础不能实现，同时摩擦桩承载力不一定满足高层建筑上部结构的载荷承受要求。同时对于有地下室的建筑，由于荷载大，常采用筏板基础，这类基础构建的承载力强，可以满足高层建筑的沉降要求。桩筏基础是筏板底土层与摩擦桩共同承担上部结构荷载，因此在设计中要求筏板底土层具有一定的承载力，在设计中应当考虑上部建筑的载荷比例。桩筏基础是把柱下独立基础或者条形基础全部用联系梁联系起来，下面再整体浇注底板。筏板基础分为平板式筏基和梁板式筏基，平板式筏基支持局部加厚筏板类型；梁板式筏基支持肋梁上平及下平两种形式。一般说来地基承载力不均匀或者地基软弱的时候用筏板型基础。而且筏板型基础埋深比较浅，甚至可以做不埋深式基础。
2.4其他基础构型
在高层建筑基础设计中还可采用联合基础、壳体基础、箱体基础等等。总之，进行地基基础设计时，必须充分考虑建筑条件和地基岩层状况，综合施工周期、造价和施工条件，选取合理安全的基础设计方案。 3 建筑基础结构设计要点
任何建筑物基础设计前必须掌握足够的资料，这些资料包括两大部分：一部分是地质资料，另一部分是有关上部结构资料。对这些资料的要求可根据需要而有所区别。对于高层建筑一般要求更详细的资料，在分析地质资料时应注意对地基类型进行判别并考虑可能发生的问题，要研究土层的分布，查明地下水及地面水的活动规律，调查拟建建筑物周围及地下的情况，在分析上部结构时应特别注意建筑物的重要性、建筑物体型的复杂程度和结构类型及其传力体系。任何一个成功的基础工程都必须能满足以下各项稳定性及变形要求：
1）埋深应足以防止基础底面下的物质向侧面挤出，对单独基础及筏形基础尤为重要。
2）埋深应在冻融及植物生长引起的季节性体积变化区以下。
3）体系在抗倾覆、转动、滑动或防止土破坏（抗剪强度破坏）方面必须是安全的。
4）体系对土中的有害物质所引起的锈蚀或腐蚀方面必须是安全的，在利用垃圾堆筑地时，这点尤为重要。
5）体系应足以对付以后在场地或施工几何尺寸方面出现的某些变化，并在万一出现重大变化时能便于变更。
6）从设置方法的角度看，基础应是经济的。
7）地基总沉降量及沉降差应为基础构件和上部结构构件所容许。
8）基础及其施工应符合环境保护标准的要求。
4 建筑基础结构设计的注意事项
4.1重视地基基础的设计等级。
《地基规范》3.0.1条规定，根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征等条件，将地基基础的设计统一分为三个等级。而在3.0.2条规定，根据高层建筑地基基础的设计等级同时考虑地基变形（在长期荷载作用下）对上部结构的影响，地基基础设计须满足如下要求：①所有建筑物的地基承载力设计须满足要求；②属于甲、乙级设计等级的建筑，应进行地基变形验算；③属于丙级的建筑有《地基规范》规定的5种情况之一时，应作变形验算。
4.2抗浮设计时应区分实际情况进行抗浮验算
①抗浮验算时上部结构永久荷载须乘以分项系数，分项系数可根据《荷载规范》或当地地区标准取值，验算建筑物抗浮能力应满足：建筑物永久荷载水浮力≥1.0，其中，永久荷载取标准值，永久荷载与水浮力的分项系数按《荷载规范》取值。②当结构基础设计需要采取抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待。当高层建筑主体基础与裙房地下结构空间连成整体，均采用桩基，可采取抗拔桩来解决抗浮问题；当主体与裙房地下结构空间未连成整体，采用天然地基会产生沉降差，则抗浮常采取配重（配重材料通常采用素混凝土，重度大于等于30kN/m3钢渣混凝土或砂石料）的方法。
4.3了解设置地下室对基础设计与整体结构的影响。
①高层建筑设置地下室除了能增加建筑物的使用空间功能（如作停车库、设备机房等）外，还会对地基基础和地面以上的整体结构的受力性能有很大的贡献。地下室深基坑的开挖，对天然地基或復合地基的基础能起到很大的卸载和补偿作用，从而减少了地基的附加压力，增强了地基承载力的计算值。②地下室周边后期夯实的回填土对埋深较大的地下室外圈混凝土墙施加了被动土压力的同时，还对外圈挡土墙产生摩阻力，使基础的稳定性得以增强。同时使基础板底反力平缓分布。根据结构设计经验，通常将地下室埋置深度不小于高层建筑总高度的1/11～1/9时，可不考虑由于偏压引起的整体倾覆问题。所以，对于高层建筑的基础设计，必须加强对地下室周边回填土的质量要求和控制，土回填越密实，抗剪强度越高，提供的被动土压力也就越大，对基础的稳定越有保证。
5 结语
综上所述，高层建筑的上部结构，基础及地基组成了一个共同作用的体系，在进行高层建筑基础设计中，要有效利用上部结构刚度，充分考虑地基条件对基础受力的影响，合理选择基础形式，运用共同作用的原理设计地基和基础，达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。
参考文献：
[1]郭惠.关于高层建筑基础设计的几点思考[J].金陵职业大学学报，2000（01）
[2]金子巍.高层建筑基础设计探讨[J].设计技术.2012
[3]李明艳.浅析高层建筑的基础设计[J]工程建设与设计.2012