高层建筑基础结构设计探讨

高层建筑基础结构设计探讨

刘少龙

关键词：高层建筑；基础结构；设计；结构选型；要点

前言

对于高层建筑来讲，其主要由上部结构、基础和地基等三部分构建成为一个完整的体系，而且三个部分相互依托，相互作用。因此在高层建筑基础结构设计过程中，要对上部结构刚度、地基条件和基础受力等所带来的影响进行充分考虑，并在此基础上来选择适宜的基础结构形式，依托于相关理论来完成地基和基础的设计，尽可能的减少基础内力和沉降，确保基础结构具有较好的经济性，这对于整个工程项目的顺利实施具有极为重要的意义。

一、高层建筑基础结构设计理论

（一）上部结构的刚度对基础受力状况的影响

上部结构的刚度关系到基础受力状况，假设上部结构为绝对刚度情况下时，当地基出现变形现象时，其各竖向构件会出现下沉现象，下沉时具有较好的均匀性。针对于这种情况下，在具体设计过程中，如果忽略竖向构件抗转运能力，基础梁的不动铰支座的作用可以由竖向构件支座来替代，将二者等同，这样基础梁则等同于倒置的连续梁，出现整体弯曲的可能性几乎没有，但会有局部弯曲现象产生。假设上部结构为绝对柔性，在这种情况下上部结构没有约束力作用于基础，一旦基础梁出现局部弯曲，势必会导致整体弯曲情况发生。对于上部绝对刚性或是上部绝对柔性情况下，基础梁无论是在内力大小或者是在内力分布方面都会存在一定的差异。在实践损伤过程中，结构物多处于这两种情况之间，具体需要依靠计算软件来对其整体刚度进行分析。因此在具体高层建筑基础结构设计过程中，可以适当地增加上部结构的刚度，但这需要在地基、基础和荷载等条件不变的情况下进行，这样基础的相对挠曲和内力则会相应减少，上部结构自身内力得以增加。

（二）地基条件对基础受力状况的影响

基础受力状况还会受到地基条件的影响，这种影响多来自于地基土的压缩性和分布的均匀性。当地基土质较好，不具有可压缩性时，基础结构整体弯曲现象也不会发生，即使发生局部弯曲，但这种情况出现的机率也不大，这种情况下下部结构也不会有次应力产生。但在实际高层建筑建设过程中，地基土完全处于不可压缩状态的情况几乎不存在，地基土多少会存在可压缩性，并存在分布不均匀性，因此基础弯矩的分布也存在较大的差异。这种情况下，基础与地基界面处会产生不同程度的摩擦，但基于土自身的强度来讲，基础与地基界面之间摩擦时产生的摩擦力较小，这种摩擦力会处于土的抗剪强度以下。在地基土孔隙水压力出现变化时，必然也会导致压缩时摩擦力的大小和分布情况的改变。而且界面并不简单的受来自于基础的影响，外荷载、基础柔度和土蠕变也会对界面情况带来一定的影响，在估计对界面摩擦影响情况时，需要针对完全光滑至完全粘着这两种极端情况来进行考虑。

（三）上部结构与基础和地基共同作用的概念及分析方法

在高层建筑基础结构设计过程中，要明确上部结构、地基和基础三者之间的不可分性，这三者作为一个整体，其连接点和接触点都需要满足变形协调的条件，这样才能更准确的对整个系统的变形和内力进行求解。在高层建筑中，由于上部结构和基础多是由梁和板共同组成，因此要想建立上部结构和基础的刚度矩阵，则能够采取的分析方法较多，如有限单元法、有限条法、有限差分法和解析方法等，同时还要依托于变形协调条件，将其与地基的刚度矩阵有效的耦合起来。当前地基可以根据实际情况来选择具体的地基模型，并建立地基刚度矩阵。

二、高层建筑基础选型工作

（一）高层建筑基础选型的影响因素

在进行高层建筑基础选型过程中，其影响主要来自于高层建筑上部结构、地质条件、周围环境及高基础桩种类等几个方面。对于高层建筑基础结构来讲，上部结构直接影响到高层建筑基础的类型、深度和浮力等参数，不同的上部结构会对高层建筑基础荷载的大小和分布带来不同的影响，在具体设计时需要设计人员要给予充分的重视。而且在具体设计过程中，当高层建筑上部结构及地下室种类和形状不同时，其所产生的沉降幅度和变形幅度也会存在差异，进而对高层建筑的基础选型带来较大的影响。对于地质条件对高层建筑基础选型所带来的影响，可以从两方面入手分析。其一，考虑来自于地基持力层所带来的影响，由于持力层需要承担高层建筑的基础荷载，因此在高层建筑基础选型时需要以持力层承载能力大小和压缩变化幅度为依据。其二要考虑穿越土层的基本状况，即所选的高层建筑基础类型来综合考虑土层中地下水和桩基穿越能力的实际情况，这样才能选择出适宜的基础类型。高层建筑基础类型还会受到来自于施工中空间因素的影响，因此在具体选型时要选择利于施工及具有较好稳定性的基础类型。由于高层建筑基础桩基的入土和挤土过程中会产生挤土效益，并对周边建筑和地下管网带来较大的影响，因此在选型时尽量选择挤土效应最小的桩基形式。而且基础桩种类不同时，其尺寸也会存在差异，因此基础桩的类型和规格要根据持力层特性、安全性要求及高层建筑负荷等方面进行具体的考虑。另外，还要考虑施工工期这一因素，需要在保证高层建筑基础施工速度、施工质量和施工效益的基础上来选择适宜的基础类型，以此来确保高层建筑基础的持续性、稳定性和安全性，全面兼顾到高层建筑的总体价值。

（二）高层建筑基础选型的基本原则

在进行高层建筑基础选型过程中，需要遵循多样性、经济性和总体优化等原则。即在高层建筑基础选型过程中，要求设计人员要对各种高层建筑基础类型进行掌握，并从中选择具有较高社会和综合价值的基础类型。在具体基础选型过程中还要考虑到成本和施工进度，以此来确保达到最佳的经济效益。

三、做好高层建筑基础设计工作的要点分析

（一）框架结构基础设计的要点

在设计高层建筑框架结构基础过程中，基础尽可能的以柔为主，但当地基土处于高压缩性情况下时，基础在偏向于刚。当采用桩基时，可以采用变刚度布桩的方式，以此来对地基或是桩基的竖向支承刚度进行调整，尽可能的降低产生的差异沉降，确保基础或是承台内力的减小。

（二）箱（筏）基础设计的要点

在高层建设箱基础设计过程中，需要针对于上部结构参与工作时箱基整体弯曲应力的降低，具体设计时宜采用共同作用分析法来进行具体的计算，确保计算出来的整体弯曲箱基底板钢筋应力与实际情况具有较好的相符性。特别是在共同作用下，上部结构下面几层边柱会出现较大的内力，因此在设计时要注意边柱边墙内力的提高。

（三）桩箱（筏）基础设计的要点

荷载多会分布在高层建筑桩箱基础上，因此在具体设计时宜采用变刚度布桩的方式，以此来对桩基竖向支承刚度进行调整，实现对桩顶反力分布的调整。同时还要重视箱底桩间土的承载力，通过适当增加基础中部桩的间距，利用桩间土来适当的分担一部分上部荷载。对于上部结构采用剪力墙的情况，要沿剪力墙進行柱布置，以此来尽可能地减小底板的厚度。

四、对高层建筑结构基础设计的建议

在高层建筑整体设计过程中，基础设计作为其中非常关键的一个组成部分，在具体设计过程中要依托于整体建筑，对基础结构与上部关系进行充分考虑，并通过各种假定条件，综合考虑基础设计过程中相关的影响因素，并采取有效的措施来提高基础设计的质量，尽可能的减少设计中的误差，全面提升高层建筑结构基础设计的质量。在具体进行高层建筑结构基础设计过程中，需要基于结构力学和弹性力学来开展设计，重点对基础的柔性和刚度进行考虑，以此来减少沉降发生，提高高层建筑基础的稳定性和可靠性，从而达到较好的设计效果。

参考文献

[1]姜海菊.江浙地区高层建筑基础的选型与优化设计——以某高层住宅楼工程为例[J].建筑，2011（08）.

[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.