筏板基础设计在高层建筑中的应用

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摘要：筏板基础在许多结构类型中得到广泛应用，无论是多层还是高层建筑，也无论是住宅还是公建等商业建筑。筏板基础刚度大，整体性好，本文针对目前高层建筑中比较常用的筏板基础的设计进行了介绍。

关键词：高层建筑；筏板基础设计

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

1前言

目前高层建筑的地下部分通常被用来做停车场，这样就不允许设置过多的墙体，这样箱型基础就不适合；筏板基础不仅可以满足地基承载力的要求，又可以有效的满足对地下大空间的要求，施工起来也相对简单，使其成为高程建筑中比较理想的基础形式，也得到了众多

高层建筑人员的青睐，被广泛的应用于各种高层建筑中。

2筏板基础的设计

2.1筏板基础承载力的确定

天然筏板基础属于补偿式基础，因此地基的确定有两种方法。一是地基承载力设计值的直接确定法，它是根据地基承载力标准值按照有关规范通过深度和宽度的修正得到承载力设计值，并采用原位试验(如标惯试验、压板试验等)与室内土工试验相结合的综合判断法来确定岩土的特性。二是按照补偿式基础分析地基承载力。一般的建筑都设有地下室，施工时地下部分土体将被挖除，地基承载力可考虑结构自重减掉被挖出土体的重量，即地基附加应力。只要地基承载力大于附加应力，再考虑规范的提高系数，即满足设计要求，如果筏基底板适当向外挑出,则有更大的可靠度。

2.2天然筏板基础的变形计算

地基的验算应包括地基承载力和变形两个方面，尤其对于高层或超高层建筑，变形往往起着决定性的控制作用。目前的理论水平可以说对地基变形的精确计算还比较困难，计算结果误差较大，往往使工程设计人员难以把握，有时由于计算沉降量偏大，导致原来可以采用天然地基的高层建筑，不适当地采用了桩基础，使基础设计过于保守，造价提高，造成浪费。采用各向同性均质线性变形体计算模型，用分层总和法计算出的自由沉降量往往同实测的地基变形量不同，这是受多种因素的影响造成的。

(1)这种理论的假定条件遵循虎克定律，即应力—应变呈直线关系，土体任何一点都不能产生塑性变形，与土体的实际应力一应变状态不相一致；

(2)利用公式计算的建筑物沉降量只与基础尺寸有关，而实测沉降量已受到上部结构与基础刚度的调整。采用箱型基础或筏板基础的高层建筑物，由于其荷载大、基础宽，因而压缩层深度大，与一般多层建筑物不同，地基不是均一持力层。因此在地基变形计算的公式中引入了一个沉降计算经验系数虬。通过实际沉降观测与计算沉降量的比较，得知高层建筑物箱型基础与筏板基础的沉降计算经验系数，主要与压力和地层条件相关，尤其与附加压力和主要压缩层中(0.5倍基础宽度的深度以内)砂、卵石所占的百分比密切相关。由于该系数虬仅用于对附加压力产生的地基固结沉降变形部分进行调整，所以《建筑地基基础设计规范》规定可根据地区沉降观测资料及经验确定。

计算高层建筑的地基变形时，由于基坑开挖较深，卸土较厚往往引起地基的回弹变形而使地基微量隆起。在实际施工中回弹再压缩模量较难测定和计算，从经验上回弹量约为公式计算变形量10％~30％，因此高层建筑的实际沉降观测结果将是上述计算值的1．1～1．3倍左右。应该指出高层建筑基础由于埋置太深，地基回弹再压缩变形往往在总沉降中占重要地位，有些高层建筑若设置3~4层(甚至更多层)地下室时，总荷载有可能等于或小于卸土荷载重量，这样的高层建筑地基沉降变形将仅由地基回弹再压缩变形决定。由此看来，对于高层建筑在计算地基沉降变形中，地基回弹再压缩变形不但不应忽略，而应予以重视和考虑。

在基础选型设计中，应结合工程的具体情况，考虑多方面的因素影响，充分利用天然地基的承载能力，通过比较“整片筏基”与“板式筏基+独立柱基”的工程造价。当由于地层分布不均匀、上部结构荷载在筏板基础上分布不均匀而引起筏板基础各部分的差异沉降较大时，可综合考虑采用以下处理措施：

1)将出露的地质较差的土层挖出一部分，换填低强度等级的素混凝土形

成素混凝土厚垫块，以改变和调整地基的不均匀变形。也可以采用“换填法"，

垫层采用碎石、卵石等材料，经碾压或振密处理，提高基础的承载能力；

2)调整上部结构荷载或柱网间距，减小基底压力差；

3)调整筏板基础形状和面积，适当设置悬臂板，均衡和降低基底压力；

4)加强底板的刚度和强度，在大跨度柱间设置加强板带或暗梁等。

3筏板基础的结构设计

筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和肋梁式筏基，包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁。一般情况下宜将基础肋梁置于底板上面，如果地基不均匀或有使用要求时，可将肋梁置于板下，框架柱位于肋梁交点处。在具体筏基设计时应着重考虑如下问题：

(1)应尽量使上部结构的荷载合力重心与筏基形心相重合，从而确定底板的形状和尺寸。当需要将底板设计成悬挑板时，要综合考虑上述多方面因素，以减小基础端部基底反力过大而对基础弯距的影响：

(2)底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定。柱网间距较大时可在柱问设置加强板带(暗梁加配箍筋)来提高抗冲切强度以减少板厚，也可采用后张预应力钢筋法来减少混凝土用量和造价。决定板厚的关键因素是冲切，应对筏基进行详细的；中切验算;

(3)无肋梁筏板基础的配筋可近似按无梁楼盖设柱上板带和跨中板带(倒楼盖法)的计算方法进行，精确计算可用有限元法：对肋梁式筏基，当肋梁高度比板厚大得较多时，可分别计算底板和肋梁的配筋，即底板以肋梁为固定支座，按双向板计算跨中和支座弯矩，并适当调整板跨中，和支座的配筋：

(4)构造配筋要求：筏板受力筋应满足规范中0．15％的配筋率要求，悬挑板角处应设置放射状附加钢筋等。设计人员往往配置受力钢筋有余，构造钢筋却配置不足。

3.1筏板基础的抗浮锚杆设置

由于南方地区普遍地下水位较高，当底板埋深较大时，不少设计人员担心地下水位对底板的浮托力而设置抗拔锚杆，在这里作如下分析和讨论。

(1)施工过程中浮托力的产生是由于基坑内积水(雨水和施工用水或地下水渗透)所致；浮托力的大小与地下室的体积和基坑内积水高度有关。因此，只要能在地下室施工过程中有序排水或限制水位，在基础底板以下就不会产生浮托力。

(2)地下室上浮是因为地下室结构及上部结构的荷载重量不足以克服地下水的浮力，当筏板基础底板上的结构重量大于实际上浮力后，整个基础结构就能稳定。因此在地下室和地面上相应有限几层的结构完成后，就可以克服地下水的上浮力，不需要在整个施工过程中对水位保持警惕。

(3)在计算地下水的浮托力时因注意：筏基底板所承受的浮托压力只是底板与地基岩土的缝隙水压力、孔隙水压力，板承受的浮托力与地基岩土的缝隙发育程度、孔隙率有关，其实际压力强度小于静水压强。其次，底板的水承压面积并非全部。由于底板与地基岩土已粘结成整体，因而能提供一定的粘结(抗拔)力。有关试验资料认为有效粘结面积占底板面积最小比率为K=5％，而粘结强度最低为250Kpa(相当于毛石砌体与M10沙浆间的抗拉力)。K值是一重要因素，应通过试验确定。浮托力的估算：当K=50％～100％时，如地下水位为一2.0m的10m深地下2层的基坑，当底板厚度1600mm，顶板单位荷重为1600kg，则单位面积的浮托力T和地下室结构重量W分别为：T=80×(50％~100％)= 40.0kpa~80．0kpa；W=1．6x25+16x2=72．0Kpa，从以上分析和讨论可见，即使按K=I计算时浮托力T最大，T与W的差值也只有8．0Kpa，待地面上再施工1～2层后，就能保持整体平衡，因此只要在地下室施工过程中能保持基坑干燥，基础和地下室结构及地上2层结构施工完成后，就可放弃对地下水位的监测，从施工过程来看是无需设置抗浮锚杆的。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，则应根据上述总体平衡的原则计算确定抗浮锚杆。对于地下室面积较大而主体塔楼面积较小的建筑，应验算裙房部位的浮托力能否与结构自重相平衡，否则也应设置抗浮锚杆。在底板配筋设计时应注意到由于水的浮托力使底板产生的弯矩，当板下不设置抗浮锚杆时应全面考虑浮托力产生的弯矩，当底板设置抗浮锚杆后则可适量减少底板的配筋量。

3.2筏板基础的计算方法

高层建筑筏基础设计方法很多，基于它们的假定条件不同，因此适用范围如何是实际工程应用十分关注的问题，其别应指出的是地基模型已逐步推广考虑地基由塑性变形而引起的反力重分布。非线性地基模型应用使计算更趋于合理。简化计算方法中如静力平衡法、级数法以及假定筏板为刚性的非线性地基的轮算法仍在一些地区采用。一般可以认为，在地基较均匀，荷载差别不大的条件下，倒粱法和倒楼盖法可以作为简化方法用于实际工程，而有

限元方法更适用于复杂条件下的框一筏体系非线性地基的分析。

结束语

高层建筑筏板基础在满足地基承载力的同时，可以满足对于地下大空间的要求；在设计时采取适当的方法来确定筏板基础承载力以及埋深、筏板基础变形量等指标，在地基分布均匀时可以使用倒楼盖法和倒梁法，从而合理的设计高层建筑的筏板基础。

参考文献

1 建筑地基基础设计规范GB50007-2002

2 建筑桩基技术规范JGJ94-2008

3 混凝土结构设计规范GB50010-2002