超高层基础设计

超高层建筑的基础与结构

【摘要】 给大家推荐一个结构设计的参考资料。

【关键词】 超高层建筑的定义、基础工程、结构类型

１超高层建筑的定义

超高层建筑仍属于高层建筑的范畴。而高层建筑的划分标准则因国家和地理环境而异。国家规范规定，凡高度超过１００ｍ的建筑均为超高层。

２超高层建筑的基础工程

２.1基础型式

由于超高层建筑形高、体重，基础工程不但要承受很大的垂直荷载，还要承受强大的水平荷载作用下产生的倾覆力矩及剪力。因此超高层建筑对地基及基础的要求比较高：其一，要求有承载力较大的、沉降量较小的、稳定的地基；其二，有稳定的、刚度大而变形小的基础；其三，既要能防止倾覆和滑移，也要尽量避免由地基不均匀沉降引起的倾斜。

建筑基础设计的首要任务是确定基础型式。而建筑基础型式的确定必须综合考虑地基条件、结构体系、荷载分布、使用要求、施工技术和经济性能。目前超高层建筑中采用的基础型式主要有箱形基础、筏形基础、桩基及桩—筏基础、桩—箱基础。箱形基础和筏形基础整体刚度比较大，结构体系的适应性强，但是对地基的要求高，因此较适合于地表浅部地基承载力比较高的地区，如北京地区一般超高层建筑多采用箱形基础或筏形基础。桩—筏基础和桩—箱基础由于可以通过桩基将荷载传递至地下深处，不但具有整体刚度比较大，结构体系适应性强的优点，而且使用条件也比较宽松，因此能适合各种地基条件的地区，因此在超高层建筑工程中应用非常广泛。在超高层建筑基础工程中，桩—筏基础应用最广，近年来建设的世界著名超高层建筑大都采用了桩－筏基础，如中国上海环球金融中心、金茂大厦、台北１０１大厦、香港国际金融中心二期、马来西亚吉隆坡石油大厦基础都为桩—筏基础。

在超高层建筑基础工程中，桩基础占有相当重要的地位，桩基不但是荷载传递非常重要的环节，而且是设计和施工难度比较大的结构部位。目前超高层建筑采用的桩基础形式主要有钢筋混凝土灌注桩、预应力混凝土管桩和钢管桩。

三者之中，钢筋混凝土灌注桩具有地层适应性强、施工设备投入小、成本低廉、承载力大、环境影响小等优点，因此在超高层建筑中应用非常广泛。预应力混凝土管桩具有成本比较低、施工高效、质量易控等优点，但是也存在挤土效应强烈、承载力有限等缺陷。

因此仅在施工环境比较宽松、承载力要求比较低的超高层建筑中应用。钢管桩具有质量易控、承载力大、施工高效等优点，但是存在成本较高、施工环境影响大等缺陷，因此在超高层建筑中应用不多，只有特别重要的、规模巨大的超高层建筑才采用钢管桩作桩基础，如上海环球金融中心、金茂大厦。

近年来，为应对超高层建筑发展对桩基础大承载力的要求，工程技术人员致力于发展承载力更大的新型桩基础：如壁式桩基础（Ｂａｒｒｅｔｔｅ）和沉箱桩基础。壁式桩基础形如地下连续墙，其施工设备和方法与地下连续墙也基本相同。但由于壁式桩基础横断面大，深度达１００ｍ以上，因此承载力特别高。马来西亚吉隆坡石油大厦（也称双塔大厦ＰｅｔｒｏｎａｓＴｗｉｎＴｏｗｅｒ）就采用了２０８幅（１０４幅／塔）、墙体横断面为２．８ｍ×１．２ｍ的壁式桩基础，桩基础深度随基岩埋深在４０ｍ至１２５ｍ之间变化（见图２）。正在建设的香港环球贸易中心（１１８层，４８４ｍ高）也采用了２４０幅２．０ｍ×１．５ｍ的地下连续墙壁式桩基础，桩长８０￣１２０ｍ。至于沉箱桩基一般应用于卵砾石层等特殊土层中。由于沉箱桩基础横断面一般都比较大，如果配合扩底措施，其承载力远较一般桩基础大得多。新加坡外联银行中心（ＯｖｅｒｓｅａｓＵｎｉｏｎＢａｎｋＣｅｔｒｅ，６２层，２８０ｍ高）就采用了直径分别为５ｍ和６ｍ的扩底式沉箱桩基础，扩底坡度为３：１（Ｖ：Ｈ），取得了良好效果，试验表明沉箱桩基础容许承载力可达３５００￣４６００ｔ／ｍ２。

2.2基础埋深

由于超高层建筑结构超高，需承受巨大的侧向荷载作用，因此为了提高建筑稳定性，与一般高层建筑相比，超高层建筑的基础埋深都比较大。所以，在确定超高层建筑的基础埋置深度时，除了应考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素外，还应满足抗倾覆和抗滑移的要求。在我国《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》ＪＧＪ６－９９中对基础埋深都作了详细的规定，对箱形和筏形基础的地基应进行承载力的变形计算，必要时应验算地基的稳定性。高层建筑筏形和箱形基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的１／１５；当桩与箱基底板或筏基底板连接的构造符合规范有关规定时，桩—箱或桩—筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的１／１８。目前一些超高层建筑的高度达到或过５００ｍ，基础埋深近３０ｍ。由于地质构造不一，基础施工难度较大，技术含量较高，所以在超高层建筑施工中，基础工程已经成为影响建筑施工总工期和总造价的重要因素之一，在软土地基地区尤其如此。超高层建筑基础工程造价一般占土建工

程总造价的２５￣４０％，施工工期占总工期的三分之一左右。同时，深基础施工也是一项风险极大的任务，深基坑土体和结构的稳定和环境保护的难度日益增大，深基础工程施工技术已经成为超高层建筑建造技术研究的重要内容之一。

3.超高层建筑结构类型

当今世界，钢和混凝土是超高层建筑最主要和最基本的结构材料，根据所用结构材料的不同，超高层建筑结构大致可以划分为三大类型：钢结构、钢筋混凝土结构、混合结构与钢结构充分利用了钢材抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度高的优良特性，是一种历史悠久、应用广泛的超高层建筑结构类型。钢结构具有自重轻、抗震性能好、工业化程度高、施工速度快、工期比较短等优点，但是也存在钢材消耗量大、建造成本高、结构抗侧向荷载刚度小、体形适应性弱、防火性能差、施工技术和装备要求比较高等缺陷。因此钢结构超高层建筑主要在工业化发展水平比较高的发达国家得到广泛应用。

超高层建筑首先是在当时工业化发展水平很高的美国得到发展的，因此早期的超高层建筑多采用钢结构，由于冶炼技术的发展和独特的材性，钢结构在超高层建筑的发展中长期独领风骚，世界上目前已经建成的几个纯钢结构标志性建筑曾先后成为世界上最高的超高层建筑，它们是：１９３１年建成的１０２层、高３８１ｍ的美国纽约帝国大厦；１９６９年建成的１１０层、高４１７ｍ的美国纽约世界贸易中心；１９７０年建成的１１０层、高４４３ｍ的美国芝加哥西尔斯大厦。

在建筑中采用钢材，我国经历了“节约用钢”、“合理用钢”和“积极用钢”三个时期。尽管早在1９３４年我国就采用钢结构建成了远东第一高楼╟╟上海国际饭店，但是由于钢产量一直不高，解放后，我国建筑业一直贯彻“节约用钢”的方针，因此长期以来我国钢结构高层和超高层建筑基本处于停滞和缓慢发展状态。直到２０世纪９０年代，当钢年产量超过８０００万ｔ以后，建筑业才开始贯彻“合理用钢”的方针，钢结构超高层建筑开始有所发展，先后兴建了北京长富宫饭店（２５层，９１．０５ｍ，钢框架，１９８９年）、北京国贸大厦（３８层，１５５．２ｍ，钢筒中筒，１９８９年）、北京京广中心（５３层，２０８ｍ，钢框架－剪力墙，１９９０年）上海新锦江大酒店（４３层１５３．２ｍ，钢框架－筒体，１９８８年）、上海国际贸易中心（３７层，１３８．８ｍ，钢框架－筒体，１９８９年）。近年来，我国钢铁工业突飞猛进，年产量已近３亿ｔ，在“积极用钢”方针指引下，钢结构超高层建筑进入了建国以来最好的发展时期，北京中央电视台新台址建设工程就是典型的钢结构超高层建筑。但是总体而言，受各种因素所制的，钢结构超高层建筑在我国的应用还极为有限。