浅谈高层建筑筏板基础的设计

【关键词】高层建筑；基础选型；筏板基础结构设计 

　　 1 慨述 

　　 根据高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2002要求，为了满足结构的抗倾覆稳定要求，高层建筑宜设地下室，且要求基础埋深对天然地基取房屋高度的1/15，对桩基取房屋高度的1/18。高层建筑采用何种基础型式，与地基土类别及土层分布情况、上部结构荷载大小、地基承载力等有密切相关。高层建筑地下室通常作为地下停车库及设备用房，目前大多高层建筑基础都采用筏板基础；筏板基础既能充分发挥地基承载力，调整不均匀沉降，又能满足停车库的空间使用要求，因而成为较理想的基础型式。筏板基础主要构造型式有平板式筏板基础和梁板式筏板基础，平板式筏板基础由于施工简单，在高层建筑中得到广泛的应用。本文以崇左市江州区地税局1#高层住宅楼的基础设计为例，拟对高层建筑基础的选型和筏板基础的设计方法进行介绍。 

　　 2 基础选型 

　　 2.1 工程地质概况 

　　 崇左市江州区地税局1#高层住宅楼位于崇左市江滨路，该工程为住宅建筑，属二类高层建筑，主体结构地上为一梯四户塔式建筑18层(1层为架空层，2-18层为单元住宅，层高均为3.1m)，地下负1层(层高为3.5m)为设备用房及部分摩托车、单车停放用房(非人防地下室)，建筑总高为55.8m，设计使用年限为50 年,工程总建筑面积为10841m2,东西长23.30 m,南北长31.60 m。结构体系为剪力墙结构，抗震设防烈度为六度,设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。内隔墙为190厚多孔页岩烧结砖(业主不同意使用轻质加气砼自保温节能砖)。 

　　 根据岩土工程勘察报告，场地土层分布自上而下分别为：①人工填土层，厚度0.4m~3.5m；②灰岩层，厚度4m~10.8m，岩体破碎，岩芯多呈碎块(片)状，且多夹有粘土，风化程度强烈，岩石坚硬程度等级为较硬岩，岩体完整程度为破碎，属中等偏低压缩性土层；③灰岩层，钻入厚度7.7m未钻穿，岩芯多呈柱状及短柱状，风化程度中等至微风化，岩石坚硬程度等级为较硬岩，岩体完整程度为较完整~完整，岩体基本质量等级为Ⅱ~Ⅲ级。本层分布较为稳定，厚度巨大。钻探期间各孔未遇地下水。 

　　 2.2 基础结构方案选择 

　　 高层建筑常用的基础结构型式有桩基础+防水板，筏板基础，桩筏基础。本工程岩土工程勘察报告中建议基础型式采用筏板基础，本工程基础占地面积824m2，上部结构总荷载重量为196509kN，即要求地基平均承载力为260kPa，地基承载力由岩土工程勘察报告提供，地基承载力特征值fa= 400kPa，采用筏板基础，能满足地基承载力要求，由于本工程为纯剪力墙结构，且剪力墙的墙肢布置不很规则，不能形成较规整的梁板式筏板基础，因此采用平板式筏板基础。由于高层建筑基础埋深的要求，筏板基础埋深至少从筏板基础板底至室外标高为3.7m，从地层剖面及岩土性质分析，并考虑地下室的使用高度要求，本工程地下室平板式筏板基础厚为900mm，开挖后筏板板底标高为-4.400m(即从室外标高至筏板板底高度为4.1m)，并以灰岩层②作为持力层。地基的验算包括地基承载力和变形两个方面，对于高层建筑，变形往往起着决定性的控制作用。 

　　 3 筏板基础的结构设计 

　　 3.1 筏板基础的平面布置 

　　 尽量使上部结构竖向永久荷载的重心与筏板基础平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应根据地基条件、建筑物场地条件、柱(墙柱)距及柱(墙柱)荷载大小等因素综合确定，尽量减少偏心，偏心距要求e≤0.1W/A。本工程调整筏板外挑尺寸为0.8m，偏心距e=0.071W/A，能满足规范要求。 

　　 3.2 筏板基础的地基承载力验算 

　　 由于地基比较均匀，筏板刚度大(由冲切验算确定该工程筏板厚为900mm，)近似为刚性板，基底反力呈直线分布，在竖向荷载作用下，基础底面压应力标准值按下式计算： 

　　 Ｐkmax=［(Fk+Gk)/A］+［Mk/W］ 

　　 Ｐvkmin=［(Fk+Gk)/A］-［Mk/W］ 

　　 由中国建筑科研院PKPM糸列JCCAD计算结果显示， 

　　 在竖向荷载作用下Ｐkmax=277KPa，Ｐkmin=243 KPa，基础底面平均压应力标准值Ｐk=260KPa。 

　　 在风荷载或地震荷载组合下Ｐkmax=284KPa，Ｐkmin=218 KPa。 

　　 经修正后的地基承载力特征值fa=489 KPa，faE=635 KPa。 

　　 在竖向荷载作用下，基础底面应力按下式控制： 

　　 Ｐk≤fa 

　　 Ｐkmax≤1.2fa 

　　 风荷载或地震荷载组合下，基础底面应力按下式控制： 

　　 Ｐmax≤1.2faE 

　　 Ｐmin≥0 

　　 本工程筏板基础的地基承载力能满足要求。 

　　 3.3 筏板基础厚度的确定 

　　 筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度确定，要求满足τmax=Fl/μm*h0+αs*Munb* CAB/Is，τmax≤0.7(0.4+1.2/βs)βhp*ft，同时要满足抗渗要求，除强度验算控制外，还要求筏板基础有较强的整体刚度。一般经验是筏板的厚度按地面上楼层数估算，每层约需板厚50mm。本工程地上18层，经PKPM糸列JCCAD筏板冲剪计算结果显示，筏板厚度为900mm，能满足抗冲切和抗剪强度要求。 

　　 3.4 筏板基础的内力分析 

　　 随着计算软件的日益成熟，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到广泛运用；上部结构、基础和地基三者的关系是相互影响、相互制约的关系。把上部结构、基础和地基三者作为一个共同工作的整体计算方法，其最基本的假定是上部结构与基础、基础与地基连接界面处变形协调，整个体系符合静力平衡。该分析法按弹性地基板考虑，地基模型一般采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型，常用数值分析方法为有限元法、有限差分法等，其中有限元法较为常用。 

　　 根据共同作用的分析原理，由节点平衡条件有如下方程： 

　　 ( [ K ]ST + [ K ]F +[ K ]S) {S} = { F }其中：[ K ]ST ── 凝聚到基础顶面的上部结构刚度矩阵 

　　 [ K ]F ── 基础结构的刚度矩阵 

　　 [ K ]S ── 地基土凝聚到基础底面的刚度矩阵 

　　 {S}──基础底面节点沉降位移向量 

　　 { F }──作用在基础顶面的荷载向量 

　　 求解上述方程，得到节点位移，由节点位移求得筏板基础基底反力和内力。根据计算结果，按有关规范可验算筏板基础的地基承载力、变形及计算构件的配筋。 

　　 运用上述设计原理，计算筏板基础的内力及验算地基变形，关键在于选择合理的地基基床系数。地基基床系数的物理意义是，使地基发生单位位移时，需施加于地基上的应力。地基基床系数与基底下各土层的类别、基底下各土层分布厚度及压缩性(压缩模量)、基础面积的大小和形状、基础的埋置深度，基底压力的大小等因素有关。 

　　本工程筏板基础的内力分析，经输入地质资料所要求的参数，并采用PKPM糸列JCCAD桩筏有限元进行内力分析，并将筏板基础划分为1m×1m的板单元，在准永久值组合下，总面荷载为248.32 kN/m2，算得筏板基础底面地基土变形沉降量平均值为8.75mm，由此反算求得地基基床系数为28382kN/m。因本工程未遇地下水，因此未作抗浮设计。 

　　 计算结果：本工程筏板配筋为双层双向Φ22@200拉通，局部个别支座内力较大处加密至Φ22@100 。地基沉降变形较为均匀，最小值为7.0mm，最大值为12mm。能满足地基设计规范对沉降量和沉降差要求。 

　　 3.5 筏板基础的配筋构造 

　　 筏板板筋宜双向双层配置，局部个别支座内力较大处钢筋间距可局部加密，配筋率≥0.2%。 

　　 4 结语 

　　 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, 直接关系到工程造价、施工难度和工期, 因此应认真研究场地岩土性质和上部结构特点, 通过综合技术经济比较确定，高层建筑的基础选型应因地制宜, 除基础应满足现行规范允许的沉降量和沉降差的限值外, 整体结构应符合规范对强度和刚度的要求。而安全可靠、经济合理才是基础选型的标准。 

　　 参考文献: 

　　 [1]中华人民共和国建设部.GB 50007-2002建筑地基基础设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2002. 

　　 [2]中国建筑科学研究院.JGJ 3―2002高层建筑混凝土结构技术规程.北京:中国建筑工业出版社,2002. 

　　 [3]中华人民共和国建设部.JGJ 6―99 高层建筑箱形与筏形基础技术规程.北京:中国建筑工业出版社,1999. 

　　 [4]宰金珉宰金璋 高层建筑基础分析与设计 北京:中国建筑工业出版社,1993. 

　　 [5]中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 PKPM基础设计软件功能详解北京:中国建筑工业出版社,2009