高層建筑平板式筏板基礎設計計算與優(yōu)化

郭秀麗

近年來,城市化加快,建筑業(yè)蓬勃發(fā)展,城市用地日趨緊張,高層建筑發(fā)展迅猛。而高層建筑因豎向荷載大,水平力(風荷載和地震荷載)引起的傾覆力矩成倍增長,且對沉降敏感,故高層建筑基礎設計以樁基礎為主。筆者認為,當殘積土、全風化巖等承載力較大土層埋深較淺時,可充分利用其承載力,采用剛度大整體性好的筏板基礎。既可以滿足高層建筑對基礎的要求,又能夠大大縮短工期、節(jié)省投資。

1 高層建筑基礎選用筏形基礎的優(yōu)勢

1)筏形基礎可充分發(fā)揮地基承載力。2)筏形基礎沉降小,調(diào)整地基不均勻沉降的能力強。3)施工方便且造價低。

2 筏形基礎結構設計

2.1 筏板類型的確定

相同的地質(zhì)條件,選用平板式筏板還是梁板式筏板,要根據(jù)工程地質(zhì)、上部結構體系、柱距、荷載大小以及施工條件等綜合確定。其主要優(yōu)缺點分析見表1。

2.2 筏板厚度的確定

規(guī)范規(guī)定:筏板厚度由抗沖切及抗剪強度確定,且須滿足抗?jié)B要求。對于局部荷載較大的柱,等厚度筏板沖切承載力不能滿足要求時,可將筏板局部加厚、筏板上面增設柱墩、配置暗梁且配置抗沖切箍筋來提高抗沖切承載力,避免因少數(shù)柱而將整個筏板加厚。

筏板厚度的確定,除按柱底軸力及沖切面積的大小確定外,尚應考慮以下因素:

1)基礎沉降的不均勻性。2)基礎與地基巖土的相對剛度。

表1 不同類型筏板優(yōu)缺點分析表

2.3 合理的地基計算模型選取

1)彈性地基梁(樁與土按文克爾地基模型)。彈性地基梁板模型即文克爾模型,是一種最簡單的線彈性模型。其基本假定是地基土邊界面上任一點處的沉降 W(x,y)與該點所承受的壓力強度p(x,y)成正比,而與其他點上的壓力無關,其計算公式為:

其中,k為基床反力系數(shù)。

該模型主要用于抗剪強度極低的流態(tài)淤泥質(zhì)土或地基土塑性區(qū)開展比較大的基礎。另外,當厚度不超過基底短邊之半的薄壓縮層地基時,因壓力比較大,剪應力比較小,所以也比較符合文克爾模型假定。

2)倒扣樓蓋(樁與土反力按剛性板假設求出)。倒樓蓋模型假定結構上部剛度無窮大,地基反力均勻布置在基礎底面。在內(nèi)力計算時不考慮基礎整體彎曲所產(chǎn)生的影響,而只按照倒樓蓋的方式進行基礎設計。這種方式計算方法簡單,易于手算。

3)單向壓縮分層總和法——彈性解Mindlin應力公式。單向壓縮分層總和法也可以稱為分層地基模型。該方法主要考慮了土的壓縮特性以及地基的有限壓縮層深度的影響,在土體的附加應力計算時采用彈性力學的方法計算,而地基的變形計算時則采用土力學中的分層總和法,使計算結果更符合實際。其計算方法為:

其中,σzi為第i層土的平均附加應力,kN/m2;Hi為第i層土的厚度,m;Esi為第i層土的壓縮模量,kN/m2。

4)單向壓縮分層總和法——彈性解修正*0.5ln(D/Sa)。按照彈性半空間地基模型中的Mindlin應力公式計算出來的基礎沉降和內(nèi)力往往偏大,有的時候直接用于基礎設計時會產(chǎn)生較大誤差,因此,在明德林應力公式的計算基礎上對其進行修正,其修正系數(shù)為0.5ln(D/Sa)。其中,D為集中力作用點離基準點的距離;Sa為集中力作用點離計算點的距離。按此地基模型的計算結構與實際結果較為接近。

2.4 筏板的內(nèi)力分析

1)筏板基礎的板厚通常較大,其空間受力性強,普通的薄板理論已不再適用,而應采用考慮板剪切變形的中厚板理論或三維實體單元來分析?？蓪⑵淠M為板元或殼元,采用有限元法進行分析。2)筏板內(nèi)力計算時,宜考慮上部結構的剛度,上部結構剛度一般取底部三層高度。3)采用有限元計算基礎內(nèi)力時,應先計算基礎的總沉降,然后計算地基土的基床系數(shù),再根據(jù)地基土的不均勻性對基床系數(shù)進行修正。在計算基礎內(nèi)力的過程中考慮地基土的相互影響,這種做法切實可行。

2.5 地基穩(wěn)定性及整體傾斜驗算

高層建筑因質(zhì)心高、荷載重,對基礎底面難免有偏心,為減少基礎產(chǎn)生傾斜,應盡量使結構豎向荷載重心與筏板平面形心相重合。對于高層建筑,通過限制傾斜角來控制不均勻沉降與傾斜程度。

2.6 筏板的構造要求

1)筏板受力筋應滿足規(guī)范中0.15%的配筋率要求,因筏板較厚,除按計算確定配筋外,構造鋼筋也須滿足。2)筏形邊緣宜外挑,通過懸挑減少偏心,均衡和降低基底壓力。挑出長度宜為邊跨柱距的1/4～1/3,對于平板式筏板,挑出長度不宜小于1.0倍～1.5倍的板厚。3)懸挑板角處應設置放射狀附加鋼筋等。4)加強底板的剛度和強度,在大跨度柱間設置加強板帶或暗梁等。

3 工程實例

由我院設計的金大洲住宅小區(qū),位于惠州市仲愷高新開發(fā)區(qū)內(nèi),其中16號樓為34層的高層住宅,建筑總高度為99.8 m,主體結構為剪力墻結構,設一層地下室。

本工程主體為剪力墻結構,剪力墻間距小,剛度大,整體性好,故基礎采用平板式筏板。筏板厚度結合上部剪力墻間距、荷載分布及地基剛度綜合計算后確定為1 400 mm,C30混凝土,HRB335主筋。

基礎計算采用PKPM CAD工程部編寫的JCCAD進行分析計算,對筏板按有限元網(wǎng)格進行自動劃分,并按板元法計算。

上部結構用SATWE計算時點取“生成基礎的剛度”選項,考慮上部結構剛度凝聚,在基礎計算時迭加上部結構凝聚剛度和荷載向量,筏板上剪力墻考慮高度為10 m,有限元網(wǎng)格劃分為1 m網(wǎng)格。

本工程沉降計算時首先要按地勘報告輸入地質(zhì)數(shù)據(jù),讀取考慮上部結構剛度后的SATWE荷載,進行沉降試算。計算出平均沉降S1,求出板底土反力基床系數(shù)K。

K=總面荷載值 p(準永久值)/平均沉降S1(m)。對于基底土局部地層分布不均勻,采取換填低強度等級的素混凝土或采用碎石、卵石等材料碾壓或振密處理,上部結構荷載在筏板基礎上分布不均勻,可以對其K值進行修正。

本工程基礎采用平板式筏板,設計中按有限元計算并考慮不利因素適當調(diào)整配筋。其配筋量比倒扣樓蓋節(jié)省25%左右。工程施工完后,主體沉降等各項指標均滿足規(guī)范要求。

4 結語

高層建筑基礎設計是制約高層建筑的安全可靠性和經(jīng)濟合理性的關鍵環(huán)節(jié),直接關系到工程造價、施工難度和工期。因此高層建筑的基礎選型應因地制宜,對于場地簡單、承載力高的土層埋藏較淺時,可選用筏板基礎,并選擇合理的計算模型進行分析計算,可以做到“安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理”的預期目標。

[1] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

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[4] 黃 柯,袁桂波.筏板基礎設計與計算方法的討論與研究[J].山西建筑,2008,34(35):134-135.

[5] 中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.獨立基礎、條形基礎、鋼筋混凝土地基梁板基礎、樁基礎、樁筏基礎設計軟件[Z].2008.