浅谈高层建筑基础设计的内在潜力

张玉鑫　王素花

摘要：高层建筑基础设计的潜力很大，主要为基础底板所承受弯曲内力远远小于常规计算值和地下室对基础整体的有利贡献，设计中应根据结构的具体情况认真分析。

关键词：基础潜力 高层基础

0 引言

高层建筑的基础上部整体连接着层数很多的框架、剪力墙或筒体结构，地下室四周很厚的挡土墙又紧贴着有效侧限的密实回填土，下部又连接着沿深度变化的地基。无论在竖向荷载还是水平荷载的作用下，他们都会有机的共同作用，相互协调变形。尽管在这方面的设计计算理论不够完善，但如果把基础从上部结构和下部地基的客观边界条件中完全隔离出来进行计算，是无法达到真正设计要求的目的的。现在设计人员所用的一体化计算机结构设计程序也沿袭着不具体充分考虑相互作用的常规计算方法，设计的计算结果往往和工程实测的结果有一定差距。

1 基础底板的内在潜力

无论是箱基还是筏基，诸多工程的实测都显示：底板的整体弯曲率都很小，往往都不到万分之五。据资料显示法兰克福展览会大楼的筏板实测绕曲率只有2.55x10-4。而测得的筏板钢筋应力一般都在20-30N/mm²之间。个别内力较大的工程也极少超过70N/mm²。出现这种基础底板内力远远小于常规计算方法的因素很多，如在基础底板施工时，只有底板的自重，且无任何上部结构的边界约束，而混凝土的硬化收缩力大，在底板的收缩应变的过程中，使混凝土的纵向钢筋产生预压应力，若混凝土的硬化收缩当量为15℃，则钢筋的预压应力可达31.5N/mm²，据相关资料陕西省邮政电信网管中心大楼测得的筏板钢筋预压应力为31.5N/mm²，相当于十分之一的设计强度，从而在正常工作状态下抵消了部分拉应力，使钢筋的受力变小；另外，基础底面和地基土之间巨大的摩擦力起着一定程度的反弯曲作用。摩擦力使整栋建筑的客观边界条件不能视而不见。特别是对于天然地基的箱形和筏形基础来讲，地基土都比较坚实，变形模量、基床系数都比较大，则基础底板的内力和相应的挠曲率势必会相应减少。

除上述因素外，最主要的是上部结构和地下室整体刚度的贡献，并参与了基础的共同抗力，起到了拱的作用，从而减小了底板的挠曲和内力。对若干工程基础受力钢筋的应力测试表明，在建筑物施工底部几层时，基础钢筋的应力是处于逐渐增长的状态，变形曲率也逐渐加大。施工到上部第四、五层时，钢筋的应力达到了最大值。然后随着层数及其相应的荷载逐步增加，底板钢筋的应力又逐渐减小，变形曲率也逐渐减缓。其原因是，在施工底部四、五层时。已建上部结构的混凝土尚未达到强度，刚度也尚未形成，这时的上部荷载全部由基础底板来单独承担。而随着继续往上施工，上部结构的刚度逐次形成，并逐渐加大，和基础底板整体作用，共同抗力，则产生拱的作用，使基础地板的变形趋于平缓。例如北京中医院工程箱形基础的现场实测显示，底板和顶板均为拉应力，充分说明了由于上部结构和基础共同作用，弯曲变形的中和轴以移到上部结构。

综合上述可以看出，高层建筑基础底板实际所承受的弯曲内力都远远小于常规计算值，有很大的内在潜力。所以在具体工程项目的设计中，必须细心把握，否则基础截面和配筋量都会比实际所需的大很多，造成不必要浪费。

2 地下室对基础的潜在贡献

高层建筑宜设置地下室，因为地下室除了能增加建筑物的使用空间功能外，还在整个建筑物的正常工作状态下，其下对地基基础，上对地面以上整体结构的受力性能都会有很大贡献。主要体现在以下几个方面。

地下室深基坑的开挖，对天然地基或复合地基的基础能起到很大的卸载和补偿作用，从而减少了地基的附加压力。例如，一栋地上36层，地下2层的高层建筑，若筏板底埋深9m，在基坑周围井点降水后，将原地面以下9m厚的岩土挖去建造地下室，则卸去的土压力为9x18=162kPa,约相当于10层楼的标准荷载重量。如果该场地的地下水位为地表下2m，当地下室建成后，井点降水终止，则地下水回升正常水位的浮托力为70kPa，约相当于4层楼的标准荷载重量。所以，地基实际上所需支承仅36+2-10-4=24层楼的荷重，卸去了约36%的上部荷载，从而大大降低了对地基承载力的要求。

由于地下室具有一定埋置深度，周边都有按设计要求夯实的回填土，所以地下室前、后钢筋混凝土外墙的被动土压力和侧墙的摩擦阻力都限制了基础的摆动，加强了基础的稳定，并使基础底板的压力分布趋于平缓。所以，很多资深结构设计人员认为，当地下室的埋深大于建筑物高度的1/12~1/10时，完全可以克服和限制偏压引起的整体倾复问题。对于高层建筑的基础设计，结构工程师必须加强对地下室周边回填土的质量要求和控制，以避免不认真夯实回填土的情况产生。内摩擦角越大，土回填就越密实，抗剪强度越高，提供的被动土压力也就越大，对基础的稳定越有保证。同时地下室外墙与回填土之间巨大接触面积上的摩擦力同样也对地基基础起着很大的卸载与补偿作用。

地下室结构的层间刚度要比上部结构大得多，地下建筑的井筒、剪力墙和柱都直接贯通到地下室，特别是地下室外墙都是很厚且开洞极少的钢筋混凝土挡土墙，在大面积的被动土压力与摩擦阻力的侧限下，与地基土形成整体，地震时与地层移动同步。所以无论是箱形还是筏形基础，地下室的顶板和底板之间基本上不可能出现层间位移。而且，地下室与地基及周边土的共同作用又反过来对上部结构的整体刚度提供了一定的补偿性贡献。无论是模拟试验和理论分析的结果都充分显示，在上部结构和工程地质条件完全相同的情况下，有地下室的高层建筑的自振周期要比无地下室的小，而且有桩基的要小于天然地基的，大直径桩的要小于小直径桩的。同时，有两层地下室的整体刚度要大于只有一层地下室的。

总之，高层建筑基础设计的潜力很大，如果在所依据的计算理论不够完善的情况下，再无端保守的加大箱（筏）形基础底板的厚度、配筋量和布桩的数量，会造成很大的浪费和及其不良的综合经济效益。在具体工程项目的设计中，我们应凭借自身拥有的概念和正确的判断力进行把握，如果一味盲目保守，不但有损自身信誉，造成很大浪费，还有被行业淘汰的可能。

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