筏板基础设计实例分析

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摘要：对于高层建筑，随着建筑物高度的增加，水平荷载产生的弯矩和剪力迅速增大，引起的倾覆力矩成倍增长，甚至起着控制作用。地基基础设计成为高层建筑设计中最难的设计问题之一，如何解决设计中遇到的各种问题是结构设计的首要目标。本文将根据具体工程详细阐述筏板基础的设计以及对基础不均匀沉降的处理方法。

关键词：筏板基础；不均匀沉降

Abstract: for the high-rise buildings, with the building height increases, the shear and bending moment of horizontal load increases rapidly, the overturning moment caused by the exponential growth, and even play a controlling role. Foundation design has become one of the most difficult design problems in the design of high-rise building, how to solve various problems encountered in design is the primary goal of structural design. According to specific engineering design details of raft foundation and the processing method of the uneven settlement of foundation.

Keywords: raft foundation; uneven settlement

中图分类号：[TU973+.35]文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

前言

随着经济的发展与人们居住环境要求的不断提高，高层建筑在世界各国大量兴建，建筑体型日趋复杂，高层建筑所面临的技术问题随之变得严峻。高层建筑对基础的强度、刚度和稳定性的要求也就更加严格，同时使沉降量和倾斜控制在允许的范围内，并保证建筑物在风荷载与地震荷载作用下具有足够的稳定性。

高层建筑筏板基础的设计实例

工程概况

某公建，地下三层连为整体，地下三和二层为六级人防物资库，平时作为车库，地下一层为超市；地上部分以抗震缝分为三部分，A区为20层办公楼，B及C区均为2层商业区。为适应上部住宅，下部办公及车库的特点及使用要求，本工程采用了框架一核心筒的结构形式。

本工程抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，场地土为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为一级，地下室防水等级为一级。框架抗震等级为二级，核心筒剪力墙抗震等级为一级。

基础选型

综合考虑地质报告、规范要求、施工难度及建筑物层数相差较大、地下室大面积开挖等具体情况，高层建筑部分采用CFG桩复合地基方案；低层部分及纯地下部分持力层土质为第四纪沉积的粉质粘土、粘质粉土⑤层，粉砂⑤2层及细砂、中砂⑥层，地基承载力标准值（fka）为180 kPa，可满足该部分地基承载力的要求，故可采用天然地基方案。

基础模型建立

基础模型建立是基础设计计算前应完成的工作，在建立基础模型时，应依次完成地质资料输入、参数设置、基础荷载输入以及基础构件布置。

地质资料输入

地质资料是建筑物场地地基状况的描述，是基础设计的重要信息，应根据地质勘察报告输入地基土质情况。

首先应归纳出大多数孔点大致的土层分布情况，布置出一个“标准孔点土层”，并根据地质勘察报告修改各土层参数；然后将“标准孔点土层”布置到各个孔点，并进入“动态编辑”菜单对各个孔点进行修改，完成整个地质资料的输入。在PKPM主界面选择JCCAD软件第二项中调入上步所输入的勘测孔位图，使之与建筑物正确对位。

确定筏板厚度

在进行平筏板基础设计时，确定筏板厚度是关键。随着筏板厚度的增加，结构主振周期呈减小趋势，地震侧移呈增加趋势，地震剪力在塔楼部分呈增加趋势但地下室部分呈减小趋势。动弯矩一般随板厚增加而增加。可见，筏板厚度并非越大越安全，应在满足承载力和冲切等基本要求的前提下经过优选后确定。

在确定筏板厚度时，可根据以往工程经验，先假定板厚，再根据板厚计算受冲切承载力、内筒边缘对板的冲切抗剪承载力等，当满足规范要求并略有富余时，即可确定此厚度为基础底板厚度，并计算抗弯所需的钢筋面积。

本工程初选板厚为主楼部分1.3米，其中核心筒部分加厚至2.6米，裙房部分0.6米。考虑到框架结构框架柱对筏板的冲切作用，在框架柱处增设2.7x2.7x0.5的柱墩。运用PKPM软件JCCAD中基础人机交互界面对筏板厚度进行验算。

内筒冲切计算

在JCCAD基础人机交互界面，点取 【内筒冲切】，需要注意的是，只需选取核心筒处的剪力墙轴线，同时挑出距离输入半个墙厚，程序自动读取板厚及上部内力最不利组合，根据规范要求进行验算，判断是否满足规范要求，并给出计算结果“内筒冲切.out”文件。当内筒冲切不满足时，需增加板厚。本工程核心筒处板厚为2.6米，内筒冲切满足规范要求。

柱对板的冲切计算

在JCCAD基础人机交互界面，点取 [柱冲切板]，程序自动显示柱对筏板冲切验算结果，如图2.3.2-1所示。

图2.3.2-1 【柱冲切板】的验算结果图

图面上柱边数字为验算结果，其中：L表示最不利荷载组合代码，R/S表示冲切安全系数（其中R表示筏板受冲切时最大抗力，S表示各荷载组合作用下的最大效应），R/S大于等于1时为满足冲切要求，否则小于1.0为不满足且显示红色。当柱荷载较大，筏板的受冲切承载力不能满足要求，可在筏板上增设柱墩或局部增加板厚以提高冲切承载力。经冲切验算，大部分柱墩不能满足冲切要求。因此，加大柱墩3.3x3.3x0.5，部分柱墩增加为3.3x3.3x0.8、6.6x6.6x0.8。主楼核心筒部分筏板厚度可满足冲切承载力要求，不必增设柱墩。

基础分析计算

高层建筑大多由主体结构和层数不多的裙房组成，裙房和主体结构的高度和重量相差悬殊，容易出现由沉降差引起的裂缝或破坏。对于不均匀沉降，一般可设置沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，避免出现不均匀沉降产生的内力，但结构、建筑和施工上都比较复杂，而且在高层建筑中往往容易导致地下室渗水。因此，目前基础设计的趋势是主楼和裙房基础不设缝，采取主楼和裙房基础整体设计。如果想要做到这一点，建筑物的差异沉降、整体倾斜应满足一定条件。当沉降差过大时，一般首先考虑采取对地基进行处理的方法，避免显著沉降，降低沉降差，待满足要求后再对基础进行整体设计。

地基处理分析

在前面已经提到，主楼部分采用CFG桩复合地基方案，裙房部分采用天然地基。如何在主楼与裙房基础连为一体的的情况下实现不同地基处理方式，成为本工程基础设计的关键问题之一。

工程设计中，经常会发现对沉降控制比较严格的工业与民用建筑，即使复合地基承载力验算满足要求，往往沉降验算过不了关，因此，以沉降控制为主的CFG桩复合地基设计，需要采用承载力和变形双控原则进行设计，二者取大值，即：

1）沉降控制时fspk=（K2/K1）x（fka）

2）承载力控制时 fspk=fa-1.0γ0（d-1.5）

在设计过程中，为实现降低沉降差的目的，获悉主楼处的沉降值是非常必要的。然而，对主楼与裙房基础整体计算沉降的结果，无法准确确定主楼与裙房各自的沉降。因此，需要将主楼和裙房分开计算。对于本工程，单独计算主楼部分，由于主楼内部含核心筒，核心筒竖向荷载极大，导致主楼与核心筒沉降差过大，故也应分别考虑。本工程不再将主楼与核心筒分开计算，采取试算的方法。进入JCCAD桩筏、筏板有限元计算界面，在【沉降试算】菜单中，天然地基下得到基床反力系数K1为2063KN/m3，此时沉降为154mm，由此反算出平均沉降控制在5cm时，基床反力系数K2为7500KN/m3，由于核心筒沉降大于主楼，故暂取K’2为9000KN/m3，经计算，主楼（含核心筒）整体沉降控制在5cm之内。同样，单独计算裙房部分，在天然地基下得到基床反力系数K3为1998 KN/m3，此时沉降满足规范要求。最后，将主楼、核心筒、裙房处的基床反力系数代入整体模型，计算出主楼与裙房整体基础的沉降值，客观合理的反映本工程的整体沉降。

基础计算

进入JCCAD桩筏、筏板有限元计算界面，点击【模型参数】，依次按照规范要求以及工程实际情况，进行参数设置；然后依次进行单元形成—荷载选择—沉降试算，此时沉降为建筑整体在天然地基下的沉降值，需要在【筏板布置】中点取【筏板定义】，出现如图2.4.2-1所示界面，分别对不同板厚筏板进行设置，即将地基处理所需要的基床反力系数K分别代入，然后进行基础整体计算。

图2.4.2-1筏板定义界面

抗浮验算

对于一些地下室较大、较深而地面以上结构层数不多的建筑，进行抗浮验算，即验算裙房部位的浮托力能否与结构自重相平衡，如不平衡，则应采取相应措施。《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》8.8.3条中详细给出了三种具体措施。本工程正负零相当于绝对标高46.050m，抗浮水位41.500m，裙房基底埋深14.60m，水头10.050m。考虑水头太大，裙房部分不再考虑防水板方案，而是按筏板处理。经JCCAD筏板抗浮验算，裙房部分抗浮不能满足规范要求，故本工程采用设置抗拔锚杆的措施。

结论

高层建筑基础选型是整个结构设计中的一个重要组成部分，应因地制宜，并满足现行规范允许的沉降量和沉降差的限值以及地基承载力要求。本文根据实际工程对筏板基础设计计算进行总结，并针对设计中遇到的问题进行分析。尤其针对沉降不均匀的建筑地基处理及基础设计方法进行详细阐述，此法普遍适用于带有裙房或地下车库的高层建筑。

参考文献：

李湛.筏板厚度对双塔楼大底盘高层建筑地震反应的影响.建筑结构，2008，（04）

北京地区建筑地基基础勘察设计规范