摘 要:简要介绍了高层建筑基础选用筏形基础的优势,从筏板类型、厚度、地基计算模型、内力分析、构造要求等方面阐述了筏形基础结构设计,并对其在具体工程实例中的应用进行了说明,为类似项目的基础设计计算积累了一定经验。
关键词:高层建筑,筏板基础,计算模型,计算方法
近年来,城市化加快,建筑业蓬勃发展,城市用地日趋紧张,高层建筑发展迅猛。而高层建筑因竖向荷载大,水平力(风荷载和地震荷载)引起的倾覆力矩成倍增长,且对沉降敏感,故高层建筑基础设计以桩基础为主。笔者认为,当残积土、全风化岩等承载力较大土层埋深较浅时,可充分利用其承载力,采用刚度大整体性好的筏板基础。既可以满足高层建筑对基础的要求,又能够大大缩短工期、节省投资。
1 高层建筑基础选用筏形基础的优势
(1)筏形基础可充分发挥地基承载力。
(2)筏形基础沉降小,调整地基不均匀沉降的能力强。
(3)施工方便且造价低。
2 筏形基础结构设计
2.1 筏板类型的确定相同的地质条件,选用平板式筏板还是梁板式筏板,要根据工程地质、上部结构体系、柱距、荷载大小以及施工条件等综合确定。其主要优缺点分析见表1。
2.2 筏板厚度的确定规范规定:筏板厚度由抗冲切及抗剪强度确定,且须满足抗渗要求。对于局部荷载较大的柱,等厚度筏板冲切承载力不能满足要求时,可将筏板局部加厚、筏板上面增设柱墩、配置暗梁且配置抗冲切箍筋来提高抗冲切承载力,避免因少数柱而将整个筏板加厚。筏板厚度的确定,除按柱底轴力及冲切面积的大小确定外,尚应考虑以下因素:
(1)基础沉降的不均匀性。
(2)基础与地基岩土的相对刚度
2.3 合理的地基计算模型选取
(1)弹性地基梁(桩与土按文克尔地基模型)。弹性地基梁板模型即文克尔模型,是一种最简单的线弹性模型。其基本假定是地基土边界面上任一点处的沉降W(x,y)与该点所承受的压力强度p(x,y)成正比,而与其他点上的压力无关,其计算公式为:p(x,y)=kW(x,y)。其中,k为基床反力系数。该模型主要用于抗剪强度极低的流态淤泥质土或地基土塑性区开展比较大的基础。另外,当厚度不超过基底短边之半的薄压缩层地基时,因压力比较大,剪应力比较小,所以也比较符合文克尔模型假定。
(2)倒扣楼盖(桩与土反力按刚性板假设求出)。倒楼盖模型假定结构上部刚度无穷大,地基反力均匀布置在基础底面。在内力计算时不考虑基础整体弯曲所产生的影响,而只按照倒楼盖的方式进行基础设计。这种方式计算方法简单,易于手算。
(3)单向压缩分层总和法———弹性解Mindlin应力公式。单向压缩分层总和法也可以称为分层地基模型。该方法主要考虑了土的压缩特性以及地基的有限压缩层深度的影响,在土体的附加应力计算时采用弹性力学的方法计算,而地基的变形计算时则采用土力学中的分层总和法,使计算结果更符合实际。其计算方法为:S =∑mi=1σziΔHiEsi。其中,σzi为第i层土的平均附加应力,kN/m2;Hi为第i层土的厚度,m;Esi为第i层土的压缩模量,kN/m2。
(4)单向压缩分层总和法———弹性解修正*0.5ln(D/Sa)。按照弹性半空间地基模型中的Mindlin应力公式计算出来的基础沉降和内力往往偏大,有的时候直接用于基础设计时会产生较大误差,因此,在明德林应力公式的计算基础上对其进行修正,其修正系数为0.5ln(D/Sa)。其中,D为集中力作用点离基准点的距离;Sa为集中力作用点离计算点的距离。按此地基模型的计算结构与实际结果较为接近。
2.4 筏板的内力分析
(1)筏板基础的板厚通常较大,其空间受力性强,普通的薄板理论已不再适用,而应采用考虑板剪切变形的中厚板理论或三维实体单元来分析。可将其模拟为板元或壳元,采用有限元法进行分析。
(2)筏板内力计算时,宜考虑上部结构的刚度,上部结构刚度一般取底部三层高度。
(3)采用有限元计算基础内力时,应先计算基础的总沉降,然后计算地基土的基床系数,再根据地基土的不均匀性对基床系数进行修正。在计算基础内力的过程中考虑地基土的相互影响,这种做法切实可行。
2.5 地基稳定性及整体倾斜验算高层建筑因质心高、荷载重,对基础底面难免有偏心,为减少基础产生倾斜,应尽量使结构竖向荷载重心与筏板平面形心相重合。对于高层建筑,通过限制倾斜角来控制不均匀沉降与倾斜程度。2.6 筏板的构造要求
(1)筏板受力筋应满足规范中0.15%的配筋率要求,因筏板较厚,除按计算确定配筋外,构造钢筋也须满足。
(2)筏形边缘宜外挑,通过悬挑减少偏心,均衡和降低基底压力。挑出长度宜为边跨柱距的1/4~1/3,对于平板式筏板,挑出长度不宜小于1.0倍~1.5倍的板厚。
(3)悬挑板角处应设置放射状附加钢筋等。
(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 工程实例由我院设计的金大洲住宅小区,位于惠州市仲恺高新开发区内,其中16号楼为34层的高层住宅,建筑总高度为99.8 m,主体结构为剪力墙结构,设一层地下室。本工程主体为剪力墙结构,剪力墙间距小,刚度大,整体性好,故基础采用平板式筏板。筏板厚度结合上部剪力墙间距、荷载分布及地基刚度综合计算后确定为1 400 mm,C30混凝土,HRB335主筋。基础计算采用PKPM CAD工程部编写的JCCAD进行分析计算,对筏板按有限元网格进行自动划分,并按板元法计算。上部结构用SATWE计算时点取“生成基础的刚度”选项,考虑上部结构刚度凝聚,在基础计算时迭加上部结构凝聚刚度和荷载向量,筏板上剪力墙考虑高度为10 m,有限元网格划分为1 m网格。本工程沉降计算时首先要按地勘报告输入地质数据,读取考虑上部结构刚度后的SATWE荷载,进行沉降试算。计算出平均沉降S1,求出板底土反力基床系数K。K=总面荷载值p(准永久值)/平均沉降S1(m)。
对于基底土局部地层分布不均匀,采取换填低强度等级的素混凝土或采用碎石、卵石等材料碾压或振密处理,上部结构荷载在筏板基础上分布不均匀,可以对其K值进行修正。本工程基础采用平板式筏板,设计中按有限元计算并考虑不利因素适当调整配筋。其配筋量比倒扣楼盖节省25%左右。工程施工完后,主体沉降等各项指标均满足规范要求。
4 结语
高层建筑基础设计是制约高层建筑的安全可靠性和经济合理性的关键环节,直接关系到工程造价、施工难度和工期。因此高层建筑的基础选型应因地制宜,对于场地简单、承载力高的土层埋藏较浅时,可选用筏板基础,并选择合理的计算模型进行分析计算,可以做到“安全适用、技术先进、经济合理”的预期目标。
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