高层建筑结构基础设计

浅谈高层建筑结构的基础设计
[摘要] 随着我国建筑行业的不断发展，高层建筑越来越重要，对于高层建筑而言，基础设计至关重要，它是保证高层建筑安全的基础，本文主要介绍了高层建筑结构基础设计的要求、类型选择、基础埋置深度及两种主要的基础设计方法等内容。

[关键词] 高层建筑结构基础设计
引言
任何建筑物的荷载最终将传递到地基上，由于上部结构材料强度高，而相应的基土的承载力很低和压缩性较大，因此必须设置一定型式和尺寸的基础。

基础具有承上启下的作用，它处于上部结构的荷载及地基反力的相互作用下，承受由此产生的内力（轴力、剪力和弯矩），另外，基础底面的反力反过来又作为地基上的荷载，使地基土产生应力和变形。

因此，在基础设计时，除需要保障基础结构本身具有足够的刚度和承载力外，同时还应该选择合理的基础尺寸和布置方案，使地基的承载力和变形满足规范要求。

一、基础设计的要求及类型选择
1.1 基础设计的要求
高层建筑由于层数多，上部结构荷载很大，使其基础具有埋置深度大、材料用量多、施工周期长、工程造价高等特点。

为此，高层建筑设计时应满足以下几个方面的要求。

（1）基础的总沉降量和差异沉降量应满足规范规定的允许值；
（2）满足天然地基或复合地基承载力及桩基承载力的要求；
（3）地下结构满足建筑防水的要求；
（4）应综合考虑经济效益，不仅考虑基础本身的用料和造价，还应考虑土方、降水、施工条件和工期等因素。

1.2 基础类型的选择
高层建筑基础的选型应根据上部结构、工程质地、抗震设防要求、施工条件、周围建筑物和环境条件等因素综合考虑确定，应选用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。

天然地基上的筏形基础比较经济，宜优先采用，必要时也可以采用箱型基础；当地质条件好、荷载较小且能满足地基承载力和变形的要求时，也可以采用交叉梁基础或其他基础形式；当地基承载力和变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基的基础形式。

基础是否发生倾斜是高层建筑是否安全的关键因素。

高层建筑由于质心高、荷载大，对基础底面一般难免有偏心，故在沉降过程中建筑物总重量对基础底面形心将产生新的倾覆力矩增量，而此倾覆力矩增量又产生新的倾斜增量，倾斜可能随之增长，直至地基变形稳定为止。

因此，为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载中心与基础平面形心相结合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。

《高层规程》规定，在地基比较均匀的条件下，箱型基础及筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合。

不能重合时，偏心距e宜符合
e≤0.1w/a
式中：e为基底平面形心与上部结构在永久荷载与楼(屋)面可变荷载准永久值组合下的重心的偏心距（m）；w为与偏心方向一致的基础底面边缘抵抗矩（m3）；a为基础底面的面积（m2）。

对低压缩地基或端承桩基的基础，可适当放宽偏心距的限制。

二、基础埋置深度的确定
高层建筑物必须有足够的埋置深度，这主要是因为一方面足够的埋置深度可以保证高层建筑物在水平荷载（风和地震作用）作用下的地基稳定性，减少建筑物的整体倾斜；另一方面可以使地基的附加压力减小，提高地基的承载力，减少基础的沉降量，另外还有助于限制基础在水平荷载作用下的摆动，使基础的底面上反力分布趋于平衡。

基础的埋置深度对房屋造价、施工技术措施、工期以及保障房屋正常使用等方面都有很大的影响，因此，基础设计时应根据实际情况选择一个合适的埋置深度。

基础的埋置深度指有效埋深，一般指自室外地面算起，天然地基算至基础底面的下皮标高，桩基础算至承台的下皮标高；当室外地面不等高时，应按照较低的一侧算起；当地下室周围无可靠侧限时，应从具有侧限的地面算起。

《高层规程》规定，高层建筑基础的埋置深度，对天然地基或复合地基可取房屋高度的1/15；对桩基础，可取房屋高的的1/18（桩长不计算在内）。

当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求及当有可靠依据时，基础的埋置深度可适当减少。

三、主要的基础设计方法
高层建筑常用的基础形式有筏形基础、桩基础、箱型基础和交叉梁基础，本文由于篇幅有限，仅就其中应用十分广泛的筏形基础和桩基础的设计方法简单介绍。

3.1筏形基础设计
3.1.1 筏形基础及其设计方法
筏形基础也称为片筏基础或筏式基础，是高层建筑中常用的一种形式，它适用于高层建筑地下部分用作商场、停车场、机房等大空间房屋。

筏形基础具有整体刚度大，能有效的调节基底压力和不均匀沉降，并有较好的防渗性能；天然地基上的筏形基础以整个房屋下大面积的筏片与地基土相接触，可使地基承载力随着基础埋深和宽度的增加而增大，因而它具有减小基底压力和调整不均匀沉降的能力。

筏形基础可分为平板式筏型基础和梁板式筏形基础。

平板式筏型基础是一块厚度相等的钢筋混凝土平板，其厚度通常为1-2.5m，故混凝土用量大，但施工方便，建造速度快。

梁板式筏形基础的底板厚度较小，在两个方向上沿柱列布置有肋梁，以加强底板的刚度，改善底板的受力。

筏形基础的设计方法根据采用的假定不同可分为刚性板方法和弹性板方法两大类。

当地基土比较均匀、上部结构刚度较好、平板式筏型基础的厚跨比或梁板式筏形基础的肋梁高跨比不小于1/6、柱间距及柱荷载的变化不超过20%时，高层建筑的筏形基础可仅考
虑局部弯曲作用，按倒楼盖法（即刚性板方法）进行计算。

3.1.2 筏形基础的配筋计算及构造
筏形基础的混凝土强度等级不宜低于c30，垫层厚度通常取
100mm。

当有防水要求时，混凝土的抗渗等级按规范要求确定。

当采用刚性防水方案时，同一建筑的基础应避免设置变形缝，可沿基础长度每隔30-40m留一道贯通顶板、底板及侧墙板的施工后浇带。

筏形基础的底板一般仅进行正截面承载力计算，肋梁应进行正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力计算。

对平板式筏基，按柱上板带的正弯矩配置板内底部钢筋，按跨中板带的负弯矩配置板内上部钢筋。

钢筋间距不应小于150mm，宜为200-300mm，受力钢筋直径不宜小于12mm。

采用双向钢筋网片配置在板的顶面和底面。

筏形基础的配筋除满足计算要求外，平板式筏形基础的底板和梁板式筏形基础的底板及肋梁，其纵横方向的底部钢筋尚应有1/2—1/3贯通全跨，且其配筋率不应小于0.15%，顶部钢筋按计算配筋全部贯通。

3.2 桩基础设计
3.2.1 桩基础及其类型
桩基础是高层建筑中广泛采用的一种基础形式，适用于建筑上部结构荷载较大、地基在较深范围内为软弱土且采用人工地基不具备条件或不经济的情况。

桩基础由承台和桩身两部分组成（如图3.1所示），承台承受上部结构传来的荷载，并把它分布到各根桩上。

因此，在承受竖向荷载时，桩基础的作用是将上部结构的荷载通过
桩尖传递到深层较坚硬的地基中，或通过桩身传递给桩身周围的地基土中；对于水平荷载，主要是依靠承台侧面以及桩上段周围土体的挤压力来抵抗。

桩基础的分类方法比较多，按照桩的传力方式可分为摩擦型桩和端承型桩，按桩身材料的不同可分为混凝土桩、钢桩和组合材料桩。

桩的类型选择应该根据上部结构、施工条件和经验、制桩材料供应条件等综合考虑，做到技术先进、经济合理，确保工程质量。

图3.1 桩基础示意图
3.2.2 桩的布置和承台构造
桩的布置至少应该符合下列四个条件：
（1）一般情况下，等直径桩的中心距不应小于3倍桩横截面的边长或直径；扩底桩中心距不应小于扩底直径的1.5倍，且两个桩底扩大头间的净距不宜小于1m。

（2）布桩时宜使各桩承台承载力合力点与相应竖向永久荷载合力作用点重合，并使桩基在水平力产生的力矩较大方向有较大的抵抗矩。

（3）平板式桩筏基础的桩宜布置在柱下或墙下，必要时可满堂布置，核心筒下应适当加密布桩；梁板式桩筏基础的桩宜布置在基础梁下或柱下。

（4）柱顶嵌入承台的长度，对大直径桩不宜小于100mm，对中等直径的桩不宜小于50mm，混凝土桩的桩顶纵筋应伸入承台内，其锚固长度为35d。

桩基承台是上部结构与桩之间相联系的结构部分，其平面形状有三角形、矩形、多边形和圆形等。

桩基承台的构造，除要满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力和上部结构的要求外，承台的宽度不应小于500mm。

边桩中心至承台边缘的距离不宜小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不小于150mm；对于条形承台梁，桩的外边缘至承台梁边缘的距离不小于75mm。

承台的最小厚度不应小于300mm。

承台的配筋：对于矩形承台，其钢筋应按双向均匀通长布置，钢筋之间不宜小于100mm，间距不宜大于200mm；对于三桩承台，钢筋应按三向板带均匀布置，且最里面的三根钢筋围成的三角形应在柱截面范围内；承台梁的主筋除满足计算要求外，还应符合混凝土结构设计规范关于最小配筋率的规定，纵筋直径不宜小于12mm，箍筋直径不宜小于6mm。

承台混凝土强度等级不应低于c20，纵向钢筋的混凝土保护层厚度不应小于70mm，当有混凝土垫层时不应小于50mm。

结束语
高层建筑基础的设计对房屋的正常使用和安全至关重要，应根据岩土工程勘探资料，综合考虑上部结构类型、材料按情况、施工条件和使用功能要求等因素，合理地选择基础形式和施工方式，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。

参考文献
[1] 胡文湛：浅谈高层建筑结构分析与设计，《江西建材》，2006
年1月。

[2] 史庆轩、梁兴文：《高层建筑结构设计》，科学出版社，2006年9月第一版。