高层建筑基础结构设计探析

高层建筑基础结构设计探析

【摘要】近年来，我国经济得到飞速发展，各种高层建筑纷纷涌现，拔地而起。如今高层建筑已经成为建筑工程行业内的主流趋势，基础结构设计是它的关键环节，因为一项工程如果在基础设计上出现了差错，不但会使建筑物的质量和安全受到影响，而且会使它的稳定发展受到严重干扰。因此本文在阐述高层建筑设计理论与设计方法的基础上，探讨了对高层建筑进行基础结构的设计时应注意的问题，为以后的工程实践提供了一定的参考依据。

【关键词】高层建筑；结构设计；设计理论；方法

目前，高层建筑的结构类型渐渐趋向于复杂化，这使高层建筑的楼层越来越多、高度越来越高且施工作业面越来越小。因此在工程实施过程中，由于建筑高度不断增加，致使地面的压力负荷也不断提高。为了使高层建筑的施工得到保障，避免地面发生塌陷、建筑结构出现沉降不均匀等问题，工程师需要严格审查地面的基础设计，严格监督和控制建筑施工。基础工程设计同地质条件、建筑方案和工期等密切相关，其设计与施工对周围环境和高层建筑自身具有重要影响，工期和造价对高层建筑的总工期及整体造价起着举足轻重的作用。

一、设计理论

高层建筑地基与上部结构及基础结构相互作用构成了一个共同的体系。然而多年以来，因为计算方法的不足和人们在思想认识上的限制，在进行结构设计时，这三部分之间的关系经常被人为地切

割，将基础结构与上部结构看作是独立的，对其分开考虑，这样会忽略了地基基础和上部结构的共同作用，也会忽视了基础结构和上部结构间的约束作用。这可能导致的结果是：基础设计过于保守，并且由于低估了上部结构对某些部位的内力，致使对这些部位计算出的结果不太安全。

（一）地基对基础的影响

基础的受力情况还由地基土的刚度和分布均匀性来决定。如果地基土刚性比较强，不可压缩，那么基础结构既不会出现整体弯曲，也不会产生太大的局部弯曲，而且上部结构还不会发生次应力。在实际中，出现最多是地基土比较软，可压缩，而且不均匀地分布，那么在这种情况下，基础弯矩的分布便会有很大不同。地基和基础的交界面处常常会出现摩擦的痕迹。因为土壤的强度是有限的，所以造成的摩擦力也是有限的，一般不会大于土壤的抗剪力。如果孔隙水的压力改变，摩擦力的分布和大小可能随之发生变化。另外，基础的柔度、土壤的蠕变和外荷载的性质与分布等均会对界面条件产生重要影响。所以必须从完全粘着与完全光滑之间对界面摩擦影响进行估计。

（二）上部结构对基础的影响

如果上部结构是绝对刚性的，若地基变形，所有竖向构件便会均匀地下沉；若忽视了竖向构件抵抗转动的能力，那么可以把竖向构件的支座看作基础梁的不转动铰支座，也就是基础梁好像颠倒放置的连续梁，不发生整体弯曲，而是把基底分布反力作为外荷载，进

行出现局部的弯曲。反之，如果上部结构是绝对柔性的，不约束基础的变形，那么基础梁发生局部弯曲的时候，还会遭受极大的整体弯曲。因此对于这两种情况，基础梁在内力分布形式和大小上会有很大的不同。实际中的结构物往往介于以上两种情况之间，很难考虑其整体刚度，一般只能通过计算机软件进行分析。当基础、荷载及地基不变时，使上部结构刚度增大，就能使基础的内力与相对挠曲减少，不过这样也会增加上部结构内力，亦即当上部结构对基础内力的减少做出贡献时，其自身同时会产生很大的次应力。最后必须指出上部结构刚度的贡献也是有限的。

（三）三者的共同作用

基础、上部结构及地基一个不可分割的整体，各部分的工作状况均是其它部分同自身一起作用的结果。将地基、基础及上部视为一个彼此紧密联系，协调工作的统一体，在接触点与连接点上满足在变形协调的情况下求解系统的内力和变形，这便是共同作用分析。进行共同作用分析时，基础及上部结构一般是由板和梁构成的，于是利用解析方法、有限条法或是有限单元法可以构建出基础与上部结构的刚度矩阵，并通过变形协调条件和地基刚度矩阵进行耦合。首先地基应该确定出合适的地基模型，例如弹塑地基模型、线或非线弹性地基模型。接下来需要构建地基刚度矩阵，可以选用解析法、有限单元法或是有限差分法等方法来构建矩阵。然而通常会利用结构力学法对各个地基模型柔度矩阵进行构建，再通过求逆获得其刚度矩阵，最后同基础与上部结构刚度矩阵进行耦合，进而求解出地

基的沉降及反力。

二、高层建筑结构的设计方法

（一）制定并筛选基础设计方案

一般情况下，对高层建筑进行基础设计时，需要对上部结构的类型、建筑工程的地质条件、施工条件、相邻建筑物之间的相互影响及荷载分布等各个因素进行分析，制定并筛选出与社会经济原则想适应的基础设计方案。对建筑物的基础进行设计时，必须形成信息完整的勘察资料，如果某些建筑物没有相应的地质报告，仍要进工程实施现场进行勘察与查看，同时需要参照周围建筑物的有关材料。

（二）确定既合适又合理的结构方案。

高层建筑的设计必须选择最合适，经济最合理的结构设计方案，亦即应该选择最实用的、最可行的结构体系和结构形式。于是，必须对建筑工程的材料选用与供应、施工状况和设计要求等进行综合分析，并且同水、电、暖等相关部门进行协商，在这些工作的基础上对结构进行选型，从而选出既合适又合理的结构方案。

（三）选用合理的计算简图

结构的计算通常是以计算简图为基础进行的，在实践中常常因为选择的计算简图不太合理而导致结构危险，从而出现结构不安全的问题，因此只有选用合理的简图，才能保证建筑物的结构安全，而计算简图也需要一定的构造对其进行保障。即使在实际中，结构节点不可能是单纯的刚结，可是在计算简图误差时，要将误差控制在

一定的允许范围之内。

（四）认真分析计算结果

现如今，计算机技术被广泛应用于高层建筑的结构设计当中，然而由于现有软件的种类非常多，不同的软件计算出的结果往往不同，并且每种软件的计算结果均会产生一些不可避免的错误，因此这就要求工程师对获得的最后结果进行精确的分析和认真的校对，从而做出最正确最合理的判断。

（五）采用正确的构造方法

应该考虑各个构件的延续性，加强其中比较薄弱的位置，并且考虑钢筋锚固的长度，注意到温度应力的作用。另外，还需要考虑按照规范、均匀和对称的要求，分别为立面和平面进行合理布置，且尽力避免薄弱位置的出现，而且如果想采用极限状态来验算，也应该把设计视为指导。

三、注意事项

（一）减少不均匀的沉降

基础结构位于地基及上部结构之间，它的平面分布和刚度大小，对挠曲的减少和不均匀沉降的调整有重要影响。例如，若当只有基础具备足够的刚度才能满足建筑物的要求，来调节不均匀地沉降时，可以利用筏型基础。

（二）注重考虑共同作用

地基、基础结构及上部结构的共同作用是必然存在，不可忽视的。在进行工程设计时，一般不可能全部做到，尤其是选取地基模型和