高層建筑中平板式筏板基礎(chǔ)計(jì)算及優(yōu)化問(wèn)題研究

【關(guān)鍵詞】高層建筑，筏板基礎(chǔ)，計(jì)算模型，計(jì)算方法 

　　近年來(lái)，城市化加快，建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，城市用地日趨緊張，高層建筑發(fā)展迅猛。而高層建筑因豎向荷載大，水平力（風(fēng)荷載和地震荷載）引起的傾覆力矩成倍增長(zhǎng)，且對(duì)沉降敏感，故高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以樁基礎(chǔ)為主）。當(dāng)殘積土、全風(fēng)化巖等承載力較大土層埋深較淺時(shí)，可充分利用其承載力，采用剛度大整體性好的筏板基礎(chǔ)。既可以滿足高層建筑對(duì)基礎(chǔ)的要求，又能夠大大縮短工期、節(jié)省投資。 

　　1 高層建筑基礎(chǔ)選用筏形基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì) 

　　（1）筏形基礎(chǔ)可充分發(fā)揮地基承載力。 

　�。�2）筏形基礎(chǔ)沉降小，調(diào)整地基不均勻沉降的能力強(qiáng)。 

　�。�3）施工方便且造價(jià)低。 

　　2 筏形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　2.1 筏板類(lèi)型的確定相同的地質(zhì)條件，選用平板式筏板還是梁板式筏板，要根據(jù)工程地質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)體系、柱距、荷載大小以及施工條件等綜合確定。其主要優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。 

　　2.2 筏板厚度的確定規(guī)范規(guī)定：筏板厚度由抗沖切及抗剪強(qiáng)度確定，且須滿足抗?jié)B要求。對(duì)于局部荷載較大的柱，等厚度筏板沖切承載力不能滿足要求時(shí)，可將筏板局部加厚、筏板上面增設(shè)柱墩、配置暗梁且配置抗沖切箍筋來(lái)提高抗沖切承載力，避免因少數(shù)柱而將整個(gè)筏板加厚。筏板厚度的確定，除按柱底軸力及沖切面積的大小確定外，尚應(yīng)考慮以下因素： 

　�。�1）基礎(chǔ)沉降的不均勻性。 

　�。�2）基礎(chǔ)與地基巖土的相對(duì)剛度。 

　　2.3 合理的地基計(jì)算模型選取 

　　（1）彈性地基梁（樁與土按文克爾地基模型）。彈性地基梁板模型即文克爾模型，是一種最簡(jiǎn)單的線彈性模型。其基本假定是地基土邊界面上任一點(diǎn)處的沉降W（x，y）與該點(diǎn)所承受的壓力強(qiáng)度p（x，y）成正比，而與其他點(diǎn)上的壓力無(wú)關(guān)，其計(jì)算公式為：p（x，y）=kW（x，y）。其中，k為基床反力系數(shù)。該模型主要用于抗剪強(qiáng)度極低的流態(tài)淤泥質(zhì)土或地基土塑性區(qū)開(kāi)展比較大的基礎(chǔ)。另外，當(dāng)厚度不超過(guò)基底短邊之半的薄壓縮層地基時(shí)，因壓力比較大，剪應(yīng)力比較小，所以也比較符合文克爾模型假定。 

　　（2）倒扣樓蓋（樁與土反力按剛性板假設(shè)求出）。倒樓蓋模型假定結(jié)構(gòu)上部剛度無(wú)窮大，地基反力均勻布置在基礎(chǔ)底面。在內(nèi)力計(jì)算時(shí)不考慮基礎(chǔ)整體彎曲所產(chǎn)生的影響，而只按照倒樓蓋的方式進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。這種方式計(jì)算方法簡(jiǎn)單，易于手算。 

　　（3）單向壓縮分層總和法―――彈性解Mindlin應(yīng)力公式。單向壓縮分層總和法也可以稱為分層地基模型。該方法主要考慮了土的壓縮特性以及地基的有限壓縮層深度的影響，在土體的附加應(yīng)力計(jì)算時(shí)采用彈性力學(xué)的方法計(jì)算，而地基的變形計(jì)算時(shí)則采用土力學(xué)中的分層總和法，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。其計(jì)算方法為：S =∑mi=1σziΔHiEsi。其中，σzi為第i層土的平均附加應(yīng)力，kN/m2；Hi為第i層土的厚度，m；Esi為第i層土的壓縮模量，kN/m2。 

　�。�4）單向壓縮分層總和法―――彈性解修正*0.5ln（D/Sa）。按照彈性半空間地基模型中的Mindlin應(yīng)力公式計(jì)算出來(lái)的基礎(chǔ)沉降和內(nèi)力往往偏大，有的時(shí)候直接用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此，在明德林應(yīng)力公式的計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行修正，其修正系數(shù)為0.5ln（D/Sa）。其中，D為集中力作用點(diǎn)離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離；Sa為集中力作用點(diǎn)離計(jì)算點(diǎn)的距離。按此地基模型的計(jì)算結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)果較為接近。 

　　2.4 筏板的內(nèi)力分析 

　�。�1）筏板基礎(chǔ)的板厚通常較大，其空間受力性強(qiáng)，普通的薄板理論已不再適用，而應(yīng)采用考慮板剪切變形的中厚板理論或三維實(shí)體單元來(lái)分析�？蓪⑵淠�擬為板元或殼元，采用有限元法進(jìn)行分析。 

　　（2）筏板內(nèi)力計(jì)算時(shí)，宜考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度，上部結(jié)構(gòu)剛度一般取底部三層高度。 

　�。�3）采用有限元計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力時(shí)，應(yīng)先計(jì)算基礎(chǔ)的總沉降 

　　，然后計(jì)算地基土的基床系數(shù)，再根據(jù)地基土的不均勻性對(duì)基床系數(shù)進(jìn)行修正。在計(jì)算基礎(chǔ)內(nèi)力的過(guò)程中考慮地基土的相互影響，這種做法切實(shí)可行。 

　　2.5 地基穩(wěn)定性及整體傾斜驗(yàn)算高層建筑因質(zhì)心高、荷載重，對(duì)基礎(chǔ)底面難免有偏心，為減少基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)豎向荷載重心與筏板平面形心相重合。對(duì)于高層建筑，通過(guò)限制傾斜角來(lái)控制不均勻沉降與傾斜程度。2.6 筏板的構(gòu)造要求 

　�。�1）筏板受力筋應(yīng)滿足規(guī)范中0.15%的配筋率要求，因筏板較厚，除按計(jì)算確定配筋外，構(gòu)造鋼筋也須滿足。 

　�。�2）筏形邊緣宜外挑，通過(guò)懸挑減少偏心，均衡和降低基底壓力。挑出長(zhǎng)度宜為邊跨柱距的1/4～1/3，對(duì)于平板式筏板，挑出長(zhǎng)度不宜小于1.0倍～1.5倍的板厚。 

　�。�3）懸挑板角處應(yīng)設(shè)置放射狀附加鋼筋等。 

　�。�4）加強(qiáng)底板的剛度和強(qiáng)度，在大跨度柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶或暗梁等。 

　　3 工程實(shí)例

        由我院設(shè)計(jì)的金大洲住宅小區(qū)，位于惠州市仲愷高新開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，其中16號(hào)樓為34層的高層住宅，建筑總高度為99.8 m，主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)一層地下室。本工程主體為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻間距小，剛度大，整體性好，故基礎(chǔ)采用平板式筏板。筏板厚度結(jié)合上部剪力墻間距、荷載分布及地基剛度綜合計(jì)算后確定為1 400 mm，C30混凝土，HRB335主筋�；�礎(chǔ)計(jì)算采用PKPM CAD工程部編寫(xiě)的JCCAD進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)筏板按有限元網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分，并按板元法計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)用SATWE計(jì)算時(shí)點(diǎn)取“生成基礎(chǔ)的剛度”選項(xiàng)，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度凝聚，在基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)迭加上部結(jié)構(gòu)凝聚剛度和荷載向量，筏板上剪力墻考慮高度為10 m，有限元網(wǎng)格劃分為1 m網(wǎng)格。本工程沉降計(jì)算時(shí)首先要按地勘報(bào)告輸入地質(zhì)數(shù)據(jù)，讀取考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后的SATWE荷載，進(jìn)行沉降試算。計(jì)算出平均沉降S1，求出板底土反力基床系數(shù)K。K=總面荷載值p（準(zhǔn)永久值）/平均沉降S1（m）。 

　　對(duì)于基底土局部地層分布不均勻，采取換填低強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土或采用碎石、卵石等材料碾壓或振密處理，上部結(jié)構(gòu)荷載在筏板基礎(chǔ)上分布不均勻，可以對(duì)其K值進(jìn)行修正。本工程基礎(chǔ)采用平板式筏板，設(shè)計(jì)中按有限元計(jì)算并考慮不利因素適當(dāng)調(diào)整配筋。其配筋量比倒扣樓蓋節(jié)省25%左右。工程施工完后，主體沉降等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。 

　　4 結(jié)語(yǔ) 

　　高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是制約高層建筑的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工難度和工期。因此高層建筑的基礎(chǔ)選型應(yīng)因地制宜，對(duì)于場(chǎng)地簡(jiǎn)單、承載力高的土層埋藏較淺時(shí)，可選用筏板基礎(chǔ)，并選擇合理的計(jì)算模型進(jìn)行分析計(jì)算，可以做到“安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”的預(yù)期目標(biāo)。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1] GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 

　　[2] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 

　　[3] 錢(qián)力航.高層建筑箱基與筏形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.