桩基础高层建筑结构抗震性能评价分析

王 军

胜利油田桩西采油厂基建工程管理中心，山东 东营 257237

1 桩基础高层建筑特点

由于高层建筑随着其建筑高度的增加，会受到较大的垂直和水平载荷，由此而产生巨大的弯矩和剪力，大大增加了其颠覆力矩，且作用水平载荷作为控制设计的主要载荷由风载荷和地震载荷构成，是一种动力载荷。高层建筑基础的受力情况更复杂，就要求其具有更高的稳定性、强度以及刚度，能够提供更大的水平与垂直负载能力。因此，在高层建筑结构基础大多采用桩基础形式，或者桩与其他基础形式复合组成的基础形式[1]。

图1 柱基础示意简图

2 桩基础建筑结构的抗震性能

2.1 桩基础对建筑结构震动的影响

研究表明，上部构造、地基土、基础形式等为影响建筑结构振动响应的重要因素。因此，分析建筑振动必须综合考虑土—基础—上部建筑结构的力学相互作用[2]，通过实测可知，整体性良好、刚度大的基础形式的建筑振动响应明显降低。

基础对上部建筑结构的影响主要表现为刚度和阻尼，都为频率的函数，忽略上部建筑结构特性，假设其为刚体，忽略摆动阻抗函数与水平阻抗函数耦合作用，则基础对建筑结构影响的数学分析模型[3]可简化为：

图2 分析模型

方程为：

经过求解方程，引入质量附加系数ζ，阻尼比D，振幅放大系数Mmax，结果表明随结构总质量M减少或基础等效半径r0增大，体系附加质量系数ζ，阻尼比D，振幅放大系数Mmax减小，可以降低结构振动，起到减震的目的。

因此，增加基础等效面积，可以增大基础对上部结构的刚度、阻尼和附加质量，减小地面振动对建筑结构的影响，能够有效地减振抗震；整体性好、大面积的基础形式可以衰减环境振动；适当改变桩基础的形式和面积，考虑其对环境微震动的衰减效应，可以经济有效的增加建筑的抗震性能[4]。

2.2 螺旋桩承载极限评价

异性桩是目前深基础形式发展的一个热点方向，由于其比传统等界面桩具有更大承载力，具有极大地发展空间，但其载荷位移曲线表现出不连续、拐点多的特点，因而难于判定其极限载荷和物理意义。螺旋桩可以通过数学分析评价其极限承载能力，将会得到广泛的应用。

螺旋桩由于具有变截面桩的桩体表面、桩土相互作用复杂、施工条件好、承载力高等一系列优势[5]。通过竖向承压载荷试验表明，螺旋桩在竖向力的作用下，明显表现出3个阶段，即：弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性变形阶段，分析其LogP-S曲线，可以判断其极限载荷。

图3 螺旋桩LogP-S曲线

3 结论

高层建筑结构基础大多采用桩基础形式，增加基础等效面积，可以增大基础对上部结构的刚度、阻尼和附加质量，减小地面振动对建筑结构的影响，能够有效地减振抗震；整体性好、大面积的基础形式可以衰减环境振动；适当改变桩基础的形式和面积，考虑其对环境微震动的衰减效应，可以经济有效的增加建筑的抗震性能。

螺旋桩可以通过竖向承压载荷试验分析其LogP-S曲线，判断其极限载荷，具有变截面桩的桩体表面、桩土相互作用复杂、施工条件好、承载力高等一系列优势，将会得到广泛的应用。

[1]唐业清.简明地基基础设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]门玉明，黄义.土-结构动力相互作用问题的研究现状及展望[J].力学与实践，2000，22(4).

[3]严觉人，王贻荪，韩清宇.动力基础半空间理论概论[M].北京：中国建筑工业出版社，1981.

[4]M.J.ksldjian:Discussion of“Design Proceduces for Dynamically Loaded Foundations”by R.V.whiteman and F.E.Richart, Jr, paper No.5569,J. Soil .Mech.and Found.Div. Proc. ASCE, 1969,95(SM1).

[5]辽宁省电力勘测设计院.螺旋锚基础实验研究[R].沈阳：辽宁电力勘测院，2002.