摘要：高層建筑具有樓層多、高度高、施工作業(yè)面較小的特點(diǎn)，所以其在建設(shè)施工過程中會(huì)隨著施工高度的不斷增加，促使上層建筑對(duì)地面的荷載承受壓力不斷提高。因此，為保證高層建筑在施工過程中不出現(xiàn)地面塌陷、建筑結(jié)構(gòu)不均勻沉降的問題，就必須對(duì)其地面基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行嚴(yán)格控制。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論概述，論述了高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),設(shè)計(jì)理念,存在問題

　　1、基礎(chǔ)埋深要注意的問題

　　對(duì)于位于土質(zhì)地基上的高層建筑，為了滿足穩(wěn)定性要求，其基礎(chǔ)埋深應(yīng)隨建筑物高度適當(dāng)增大。在抗震設(shè)防區(qū)，筏形和箱形基礎(chǔ)的埋深不宜小于建筑物高度的1/15;樁筏或樁箱基礎(chǔ)的埋深(不計(jì)樁長(zhǎng))不宜小于建筑物高度的1/18。對(duì)位于巖石地基上的高層建筑，基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足抗滑要求。受有上拔力的基礎(chǔ)如輸電塔基礎(chǔ)，也要求有較大的埋深以滿足抗拔要求。煙囪、水塔等高聳結(jié)構(gòu)均應(yīng)滿足抗傾覆穩(wěn)定性的要求。

　　基礎(chǔ)應(yīng)該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎(chǔ)底面，對(duì)于獨(dú)立的高層建筑而言，基礎(chǔ)埋深比較容易確定，但當(dāng)今多數(shù)高層建筑與地下車庫(kù)都是相互連接的，當(dāng)?shù)叵萝噹?kù)基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)或設(shè)有防水底板的獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，高層建筑的基礎(chǔ)埋深可從室外地坪算起，此時(shí)高層建筑地下室頂板及地下車庫(kù)頂板應(yīng)按嵌固層要求設(shè)計(jì)，地下車庫(kù)應(yīng)有足夠的側(cè)向剛度作為高層建筑的側(cè)限。假如不滿足以上條件的時(shí)候，高層建筑的基礎(chǔ)埋深應(yīng)該要從地下車庫(kù)地面算起。高層建筑通常設(shè)地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

　　1.1當(dāng)高層建筑采用天然地基時(shí)，地基承載力可進(jìn)行修正。隨著基礎(chǔ)埋深的增加，修正后的地基承載力隨之增大，從而可滿足高層建筑對(duì)地基承載力的要求。

　　1.2高層建筑地下室外墻一般采用鋼筋鹼墻，地下室頂板厚不宜小于160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時(shí)地下室外墻周邊土也提供了很大的側(cè)向剛度和約束。因此設(shè)地下室有利于上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，有利于協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形，調(diào)整地基不均勻沉降。

　　2、應(yīng)注意地下水的影響

　　有地下水時(shí)，基礎(chǔ)應(yīng)盡量埋置在地下水位以上，以避免地下水對(duì)基坑開挖、基礎(chǔ)施工和使用期間的影響。實(shí)在無法避免時(shí),對(duì)底面低于地下水位的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮地下水對(duì)建筑物的水浮力影響,應(yīng)進(jìn)行整體的抗浮計(jì)算及局部的抗浮計(jì)算,計(jì)算不滿足時(shí)可采取抗浮樁或者抗浮錨桿等措施。同時(shí),應(yīng)考慮施工期間的基坑降水、坑壁圍護(hù)、是否可能產(chǎn)生流砂或涌土等問題，并采取保護(hù)地基土不受擾動(dòng)的措施。 對(duì)于具有侵蝕性的地下水，應(yīng)采用抗侵蝕的水泥品種和相應(yīng)的措施。

　　3、高層建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論

　　高層建筑的上部結(jié)構(gòu)具有很大的剛度，它和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及地基三者實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)共同作用的體系。然而長(zhǎng)期以來，由于人們認(rèn)識(shí)上的局限性以及計(jì)算手段的缺乏，在設(shè)計(jì)計(jì)算中往往人為地切割了各部分之間的聯(lián)系，而把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為兩個(gè)獨(dú)立的單元分別進(jìn)行考慮，亦即首先把基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)的固定支座，求得上部結(jié)構(gòu)在荷載作用下的內(nèi)力和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固定處的反力，然后把該反力作用于彈性地基的基礎(chǔ)上計(jì)算基礎(chǔ)的內(nèi)力。這種方法沒有考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用，忽略了上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的約束(亦即上部結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn))作用。它所導(dǎo)致的結(jié)果：

　　(1)基礎(chǔ)彎矩和縱向彎曲過大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏于保守。

　　(2)沒有考慮基礎(chǔ)實(shí)際存在的差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)引起的次應(yīng)力，在某些部位低估了上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，從而使這些部位計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

　　3.1上部結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)基礎(chǔ)受力狀況的影響

　　假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為絕對(duì)剛性，當(dāng)?shù)鼗�變形時(shí)，各豎向構(gòu)件只能均勻下沉;如忽略豎向構(gòu)件端部的抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力，則豎向構(gòu)件支座可視為基礎(chǔ)梁的不動(dòng)鉸支座，亦即基礎(chǔ)梁猶如倒置的連續(xù)梁，不產(chǎn)生整體彎曲，卻以基底分布反力為外荷載，產(chǎn)生局部彎曲。反之，假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為絕對(duì)柔性，對(duì)基礎(chǔ)的變形毫無約束作用，于是基礎(chǔ)梁在產(chǎn)生局部彎曲的同時(shí)，還經(jīng)受很大的整體彎曲。于是，兩種情況下基礎(chǔ)梁的內(nèi)力分布形式與大小產(chǎn)生很大的差別。實(shí)際結(jié)構(gòu)物常介于上述兩種情況，其整體剛度的考慮非常困難，只能依靠計(jì)算軟件分析。在地基、基礎(chǔ)和荷載條件不變的情況下，增加上部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)減少基礎(chǔ)的相對(duì)撓曲和內(nèi)力，但同時(shí)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力增加，即是說，上部結(jié)構(gòu)對(duì)減少基礎(chǔ)內(nèi)力的貢獻(xiàn)是以在自身中產(chǎn)生不容忽視的次應(yīng)力為代價(jià)的。還應(yīng)注意的是上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)也并不是無限。

　　3.2地基條件對(duì)基礎(chǔ)的影響

　　基礎(chǔ)受力狀況還取決于地基土的壓縮性及其分布的均勻性。當(dāng)?shù)鼗�土不可壓縮時(shí)(例如基礎(chǔ)坐落在未風(fēng)化的基巖上)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅不產(chǎn)生整體彎曲，局部彎曲亦很小;上部結(jié)構(gòu)也不會(huì)因不均勻沉降產(chǎn)生次應(yīng)力。實(shí)踐中最常遇到的情況卻是地基土有一定的可壓縮性，且分布不均，這樣，基礎(chǔ)彎矩分布就截然不同。基礎(chǔ)與地基界面處往往顯示出摩擦特征。由于土的強(qiáng)度有限，形成的摩擦力也有限，不會(huì)超過土的抗剪強(qiáng)度。孔隙水壓力的變化，可能改變壓縮過程中摩擦力的大小與分布。此外，外荷載的分布和性質(zhì)、基礎(chǔ)的相對(duì)柔度以及土的蠕變等涉及時(shí)間變化的效應(yīng)等都會(huì)影響到界面條件。因此，應(yīng)從完全光滑一直到完全粘著這兩種極端情況之間來慎重估計(jì)界面摩擦的影響。

　　3.3上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)和地基共同作用的概念及分析方法

　　上部結(jié)構(gòu)與地基和基礎(chǔ)三者是彼此不可分離的整體，每一部分的工作性狀都是三者共同作用的結(jié)果。共同作用分析，就是把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基看成是一個(gè)彼此協(xié)調(diào)工作的整體，在連接點(diǎn)和接觸點(diǎn)上滿足變形協(xié)調(diào)的條件下求解整個(gè)系統(tǒng)的變形與內(nèi)力。在共同作用分析中，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)通常是由梁、板組成，因此可以采用有限單元法、有限條法、有限差分法或解析方法建立上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度矩陣，并利用變形協(xié)調(diào)條件與地基的剛度矩陣耦合起來。地基首先需確定采用何種地基模型：線彈性地基模型，非線彈性地基模型還是彈塑地基模型。然后建立地基的剛度矩陣。當(dāng)然也可以采用有限單元法、有限差分法或解析法建立地基的剛度矩陣。但是習(xí)慣上用所謂的結(jié)構(gòu)力學(xué)法來建立各種地基模型的柔度矩陣，然后求逆得到它們的剛度矩陣，與上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度矩陣耦合起來，從而求得地基反力和沉降。在共同作用分析中，可以根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度進(jìn)行共同作用分析，并考慮施工過程的影響，把結(jié)構(gòu)荷載和剛度形成情況分別考慮來進(jìn)行共同作用分析。

　　4、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)存在的問題

　　4.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度，以保證將高層建筑上部結(jié)構(gòu)作用于基礎(chǔ)頂面的巨大豎向、水平向荷載與力矩，可靠地傳給地基土或樁頂。

　　4.2基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)介于上部結(jié)構(gòu)與地基土之間，其剛度大小及其在平面上的分布，對(duì)調(diào)整不均勻沉降、減少整體和局部撓曲至關(guān)重要。例如：多、高層建筑中，當(dāng)采用條形基礎(chǔ)不能滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力和變形的要求，或當(dāng)建筑物要求基礎(chǔ)具有足夠的剛度以調(diào)節(jié)不均勻沉降時(shí)，可采用筏型基礎(chǔ)。筏型基礎(chǔ)的平面尺寸，在地基土比較均勻的條件下，基底平面形心宜與上部結(jié)構(gòu)豎向永久荷載的重心重合。當(dāng)不重合時(shí)，在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下，宜通過調(diào)整基底面積使偏心距符合要求。

　　4.3內(nèi)力分析中，應(yīng)盡可能考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)和地基土的共同作用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)和地基土三者之間的共同作用是客觀存在的。當(dāng)然，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往不可能都做到，特別是地基模型及其參數(shù)的選取，對(duì)共同作用的結(jié)果影響甚大;但在構(gòu)造和配筋上反映對(duì)共同作用結(jié)果的考慮，是完全可能和必要的。例如：在同一大面積整體筏型基礎(chǔ)上建有多幢高層和低層建筑時(shí)，筒體下筏板厚度和配筋宜按上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基土的共同作用的基礎(chǔ)變形和基底反力計(jì)算確定。帶裙房的高層建筑下的大面積整體筏型基礎(chǔ)，其主樓下筏板的整體撓度值不應(yīng)大于0.5‰，主樓與相鄰的裙房柱的差異沉降不應(yīng)大于1‰，裙房柱間的差異沉降不應(yīng)大于2‰。

　　5、結(jié)語

　　由于建筑物高聳，不僅豎向荷載大而集中，而且風(fēng)荷載和地震荷載引起的傾覆力矩成倍增長(zhǎng)，因此要求基礎(chǔ)和地基提供更高的豎直和水平承載力，同時(shí)使沉降和傾斜控制在允許的范圍內(nèi)，并保證建筑物在風(fēng)荷載與地震荷載下具有足夠的穩(wěn)定性。這就對(duì)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工提出了更高、更嚴(yán)的要求。