基于高层建筑结构设计中的基础设计问题探究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于高层建筑结构设计中的基础设计问题探究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】随着我国国民经济的飞速发展，人民生活水平与居住水平也相应地得到了提高，使人们对高层建筑条件提出了更高的要求，本文在此提出了自己的一些观点，首先概述了高层建筑结构设计中的基础设计，然后分析了高层建筑结构基础设计中应注意的问题，希望对提高高层建筑结构设计质量有所帮助。

【关键词】高层建筑基础设计；基础刚度；作用理论

前言

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，运用共同作用的理论设计地基和基础，达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。

一、高层建筑基础的设计理论分析

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。

2、基础刚度对基底反力分布的影响。绝对柔性基础当上部结构刚度可以忽略时，对荷载传递无扩散作用，如同荷载直接作用在地基上，反力分布 p（x，y）则与荷载 q（x，y）大小相等、方向相反。当荷载均匀时，基础呈盆形沉降；如欲使基础沉降均匀，则需使荷载从中部向两端逐渐增大，呈不均匀状。绝对刚性基础对荷载传递起着“架越作用”。由于基础为绝对刚性，迫使地基均匀沉降。由于土中塑性区的开展，反力将发生重分布。塑性区最先在边缘处出现，反力将减小，并向中部转移，形成马鞍形分布。理论分析与试验研究表明，基底反力的分布除与基础刚度密切相关外，还涉及到土的类别与变形特性、荷载大小与分布、土的固结与蠕变特性，以及基础的埋深和形状等多种因素。基底反力分布大致分为三种类型：1、如果基底面积足够大，有一定的埋深，荷载不大，地基尚处于线性变形阶段，则基底反力图多为马鞍形；当地基土比较坚硬时，反力最大值的位置更接近于边缘。2、砂土地基上的小型基础，埋深较浅或荷载较大，临近基础边缘的塑性区逐渐扩大，这部分地基土所卸除的荷载必然转移给基底中部的土体，导致中部基底反力增大，最后呈抛物线形。 3、当荷载非常大，以致地基接近整体破坏时，反力更加向中部集中而呈钟形，当两端存在非常大的地面堆载或相邻建筑的影响时，也可能出现钟形的反力分布

3、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。

4、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。

二、高层建筑基础设计中应用共同作用理论分析

1、有效地利用上部结构的刚度，使基础的结构尺寸减小到最小程度。例如，把上部结构与基础作为一个整体来考虑，箱形基础高度可大为减小；当上部结构为剪力墙体系时，有可能将箱形改为筏基。应注意的是，上部结构的刚度是随着施工的进程逐步形成的，因此在利用上部结构刚度改善基础工作条件时，应模拟施工过程进行共同作用分析，以免造成基础结构的损坏。

2、对建筑层数悬殊、结构形式各异的主楼与群房，可分别采用不同形式的基础，经慎重而仔细的共同作用分析比较，可使主、裙房的基础与上部结构全都连接成整体，实现建筑功能上的要求。

3、运用共同作用的理论合理地设计地基和基础，达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。例如在一定的地质条件下，考虑桩间土的承载作用，得以加大桩径、减少桩数，合理布桩、减少基础内力，从而在整体上降低基础工程的造价。

三、高层建筑基础设计中应注意的问题分析

1、保证荷载的可靠传递。基础结构应具有必要的强度和刚度，以保证将高层建筑上部结构作用于基础顶面的巨大竖向、水平向荷载与力矩，可靠地传给地基土或桩顶。

2、参与变形协调，减少不均匀沉降。基础结构介于上部结构与地基土之间，其刚度大小及其在平面上的分布，对调整不均匀沉降、减少整体和局部挠曲至关重要。

3、内力分析中，应尽可能考虑基础结构与上部结构和地基土的共同作用

基础结构与上部结构和地基土三者之间的共同作用是客观存在的。当然，在实际工程设计中往往不可能都做到，特别是地基模型及其参数的选取，对共同作用的结果影响甚大；但在构造和配筋上反映对共同作用结果的考虑，是完全可能和必要的。例如：在同一大面积整体筏型基础上建有多幢高层和低层建筑时，筒体下筏板厚度和配筋宜按上部结构、基础与地基土的共同作用的基础变形和基底反力计算确定。带裙房的高层建筑下的大面积整体筏型基础，其主楼下筏板的整体挠度值不应大于 0.5‰，主楼与相邻的裙房柱的差异沉降不应大于1‰，裙房柱间的差异沉降不应大于 2‰。

四、结语

基础工程的设计和施工对高层建筑本身及其周围环境的至关重要，其造价与工期对高层建筑总造价与总工期有举足轻重的影响。本文以上谈了谈自己的一些建议。

参考文献：

[1]史佩栋 ，高大钊 ，钱力航.21 世纪高层建筑基础工程[M]. 北京 ： 中国建筑工业出版社 ，2000

[2]魏利金.建筑结构施工图设计与审图常遇问题及对策[M]. 北京 ： 中国电力出版社 ，2011