高层建筑结构基础设计

第八讲高层建筑结构的基础设计

基础是房屋结构的重要组成部分，房屋所受的各种荷载都要经过基础传至地基。由于高层建筑层数多、上部结构荷载很大，导致使其基础具有埋置深度大，材料用量多，施工周期长，工程造价高等特点。为此，高层建筑基础设计时应满足以下几方面的要求：

(1)基础的总沉降量和差异沉降量满足规范规定的允许值；

（2）满足天然地基或复合地基承载力及桩基承载力的要求；

（3）地下结构满足建筑防水的要求；

（4）预先估计在基础施工过程中对毗邻房屋或市政设施的影响，并尽可能避免或减轻这种影响和干扰；

（5）应考虑综合经济效益，不仅考虑基础本身的用料和造价，还应考虑土方、降水、施工条件和工期等因素。

地震区的高层建筑宜选择对抗震有利的地段，避开不利地段，当条件不允许避开不利地段时，应采取可靠措施，使建筑物在地震时不致由于地基失稳而破坏，或者产生过量下沉或倾斜。

由以上可知，高层建筑基础的设计对房屋的正常使用和安全至关重要，应根据岩土工程勘探资料，综合考虑上部结构类型、材料情况、施工条件和使用功能要求等因素，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。

一、基础的选型和埋置深度

高层建筑基础的选型应根据上部结构情况、工程地质、抗震设防要求、施工条件、周围建筑物和环境条件等因素综合考虑确定。

应选用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。天然地基上的筏形基础比较经济，宜优先采用；必要时也可采用箱形基础；当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形的要求时，也可采用交叉梁基础或其它基础形式；当地基承载力和变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。

基础是否发生倾斜是高层建筑是否安全的关键因素。高层建筑由于质心高、荷载大，对基础底面一般难免有偏心，故在沉降过程中，建筑物总重量对基础底面形心将产生新的倾覆力矩增量，而此倾覆力矩增量又产生新的倾斜增量，倾斜可能随之增长，直至地基变形稳定为止。因此，为减少基础产

生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础平面形心相重合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。《高层规程》规定，在地基土比较均匀的条件下，箱形基础、筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，偏心距e宜符合下式要求：

对低压缩性地基或端承桩基的基础，可适当放宽偏心距的限制。按上式计算时，裙房与主楼可分开考虑。

为使高层建筑结构在水平力和竖向荷载作用下，其基底压应力不致过于集中，为此，可通过限制基础底面压应力较小一端的应力状态来实现。《高层规程》规定，高宽比大于4 的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4 的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15％。当满足上述要求时，高层建筑结构的抗倾覆能力具有足够的安全储备，不需再验算结构的倾覆问题。对裙楼和主楼质量偏心较大的高层建筑，裙楼与主楼可分别进行基底应力计算。

二、基础的埋置深度

高层建筑基础必须有足够的埋置深度，这主要是考虑了以下几方面的因素：

（1）增大基础埋深可保证高层建筑在水平荷载（风和地震作用）作用下的地基稳定性，减少建筑的整体倾斜，防止倾覆和滑移，利用土的侧限形成嵌固条件，保证高层建筑的稳定；

（2）由于基础增大埋深，可使地基的附加压力减小，且地基承载力的深度修正也加大，则可以提高地基的承载力，减少基础的沉降量；

（3）增大基础埋深，可使地下室外墙与土体之间的摩擦力和被动土压力增大，从而限制了基础在水平荷载作用下的摆动，使基础底面上反力分布趋于平缓；

（4）地震作用下结构的动力效应与基础埋置深度关系较大，增大埋深，可使阻尼增大，结构的地震反应减小，而且土质越软，埋置深度越大，地震反应减小得越多。因此增大埋深有利于建筑物抗震。实测表明，有地下室的建筑地震反应可降低（20—30）％。

基础的埋置深度对房屋造价、施工技术措施、工期以及保证房屋正常使用等都有很大的影响。基础埋置太深，还会增加房屋的造价；而埋置太浅，通常又不能保证房屋的稳定性。因此，基础设计时应根据实际情况选择一个合理的埋置深度。当基础直接搁置在基岩上时，可以不考虑埋深的要求，但一定要做好地锚，保证基础不发生滑移。

基础的埋置深度指有效埋深，一般指从自室外地面起算，天然地基算至基础底面的下皮标高，桩基础算至承台的下皮标高；当室外地面不等高时，应按较低的一侧起算，如下图所示；当地下室周围无可靠侧限时，应从具有侧限的地面起算。《高层规程》规定，高层建筑基础的埋置深度，对天然地基或复合地基，可取房屋高度的1/15；对桩基础，可取房屋高度的1/18（桩长不计在内）。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求及当有可靠依据时，基础埋置深度可适当减小。当地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施。

当高层建筑的地下室周边需要设置连续的采光井时，土体与采光井的挡土墙接触，不能对基础形成有效的侧限，此时应每隔一段距离，在基础与采光井外壁之间设置连接短墙，以利用周围土体对基础产生侧限，保证水平力的传递。

高层建筑一般带有裙房，当主楼与裙房用沉降缝分开时，主楼的有效埋置深度应从有侧限的地坪起算。

若主楼与裙房基础的埋置深度相同，则主楼的有效埋置深度为零，此时基础埋置深度没有受到侧向限制，宜将主楼基础的埋置深度增大，则主楼与裙房两基础埋置深度的差值为主楼基础的有效埋深。在不得已情况下，亦可在主楼与裙房基础之间的沉降缝内填充松散、坚硬的材料（如粗砂），使两者之间可以传递水平力，同时又不妨碍沉降缝两侧基础发生相对沉降。

三、高层建筑基础与裙房基础的连接

高层建筑常常附有层数不多，用作门厅、商店、餐厅等的裙房，裙房一般柱距较大，比较空旷，高层部分与裙房两者之间上部刚度和荷载相差悬殊，基础附加压力差别极大，导致基础沉降量不同，理应设置沉降缝将二者基础分开，以避免差异沉降量对上部结构的影响。实际上，高层部分与裙房之间基础是否需要断开，应根据地基土质、基础形式、建筑平面体形等情况区别对待。当采用天然地基，而地基承载力较小，预计主楼与裙房基础的绝对沉降量及差异沉降量均较大时，应在主楼与裙房之间设置沉降缝将二者断开，使彼此可以自由沉降。

当地基土质较好，或采用桩基础，高层部分和裙房基础各自的沉降量及二者差异沉降量都比较小，且计算比较可靠时，主楼与裙房之间的基础及上部结构可以连成整体，不需设置沉降缝。从房屋的建筑使用功能及防水要求考虑，亦不希望设置沉降缝。目前，国内高层建筑的主楼与裙房之间多数不设永久缝，实测表明，当主楼地基下沉时，由于土的剪切传递，主楼以外的地基也随之下沉，其影响范围随土质而异，即地基沉降曲线在主楼与裙房的连接处是连续的，不会发生突变的差异沉降，而是在裙房若干跨内产生连续性的差异沉降。

当高层建筑主楼与裙房之间不设置沉降缝时，为了减小差异沉降引起的结构内力，可采用施工后浇带的措施。施工后浇带设置在裙房一侧，宽度不应小于800mm，其位置宜设在距主楼边的第二跨内、从基础到裙房屋顶所有的构件上。后浇带中的钢筋最好是先断开（若以后采用搭接，要求钢筋留出锚固长度；若以后采用焊接，钢筋可以切断），也允许钢筋不切断而直接连通起来。在施工期间，后浇带混凝土先不浇筑，这样主楼与裙房可以自由沉降，到施工后期，沉降基本稳定后再浇筑混凝土连为整体。当采用天然地基时，后浇带混凝土通常待主楼结构施工完毕后浇筑；如果采用以端承桩为主的