高层建筑平板式筏基设计中的若干问题

2013-04-15陈荣欣

建材世界 2013年2期

陈荣欣

（中国建材国际工程集团有限公司，深圳 518054）

当前，我国城市化进程逐步加快，土地资源紧缺，大中城市中高层建筑已成为了一种常见的建筑形式。高层建筑的基础不仅要承受整个建筑物的竖向荷载，还要保证在水平荷载（风荷载和地震作用）作用下，具有足够的稳定性，为建筑物的安全可靠提供首要保障。筏板基础既能充分发挥地基承载力，又具有良好的整体性，能很好的调整地基不均匀沉降，还能满足停车库的空间使用要求，是较为理想的基础型式。筏板基础可分为平板式筏基和梁板式筏基。平板式筏板基础具有抗冲切和抗剪切能力强、传力快捷、构造简单、施工方便等优点，在高层建筑中得到了广泛的应用。该文将对高层建筑平板式筏板基础设计中的一些问题进行分析探讨。

1 基础埋深、平面尺寸及厚度的确定

1.1 基础埋深的确定

高层建筑由于质心高、荷载重，除要满足地基基础设计的一般规定外，尚应有一定的埋置深度。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010备案号J186—2010）（以下简称《高规》）12.1.8条明确规定，“在确定埋置深度时，应综合考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。基础埋置深度可从室外地坪算至基础底面……”。天然地基和复合地基，可取房屋高度的1/15；桩基础不计桩长，可取房屋高度的1/18。高层建筑在地震力作用下，结构的动力效应与基础埋置深度关系较大，软弱土层时更为明显。因此高烈度、场地差时，更要有较大的埋置深度，以满足地基抗倾覆和抗滑移的要求。实际工程中基础的埋置情况千差万别，应区别对待。下面就几种常见的基础埋置深度的正确取值方法做一简单介绍。

1）建筑物四周室外地坪标高不同时，应从室外最低地坪算起，如图1所示。

2）主楼与裙房之间设有沉降缝、伸缩缝时，设缝的一侧起不到嵌固作用。如图2（a）中，主楼与裙房基础底标高相同时，基础的有效埋置深度为“0”；图2（b）中，两者不同时，应从裙房地下室底板的顶面算起。

3）当地下室有通长采光井时，a）如果采光井挡土墙与地下室外墙没有连接或连接较弱时，基础埋深应从采光井底地坪算至基础底面；b）如果采光井挡土墙与地下室外墙有可靠连接，可以完成力的传递，可从房屋四周室外最低地坪起算。

1.2 筏板基础平面尺寸的确定

筏板的平面大小首先要满足地基承载力的要求。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）（以下简称《地规》）5.2.1条、《高规》12.3.1条和《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）4.2.3条，已分别给出了具体要求。常用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部的JCCAD（以下简称JCCAD），首先在“基础人机交互输入”的“重心校核”菜单下，要分别选择正常使用极限状态，各荷载效应标准组合下的板底平均反力、最大最小反力，对地基承载力进行校核。同时在筏板有限元分析结果中，各板块下地基土最大反力也应满足承载力的设计要求。《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》（JGJ6—2011备案号J1160—2011）5.1.3条规定，筏基在荷载效应准永久组合下，应满足偏心距的要求。因此，应尽量使建筑物重心与筏基平面的形心重合，避免产生附加倾覆弯矩；也可以通过调整筏板的外挑长度来调整形心，以满足规范要求。此外，挑出长度不宜过长，以利于外包防水施工和减小筏板的盆式差异沉降。值得一提的是对于平板式筏基，为了满足角部、边部墙体抗冲切要求，一般挑出长度不宜小于板厚，其刚度和承载力均应满足要求。

1.3 筏板基础厚度的确定

筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定，同时还要满足抗渗要求。《高规》12.3.4条规定，板厚不宜小于400mm。这里需要指出的是除强度验算控制外，还要求筏板基础有较强的整体刚度。一般经验是平板式筏板的厚度可按地面上楼层数估算，每层约需板厚50～80mm，可以先取h＝n（层数）×50mm进行试算。部分轴力较大的墙、柱下，筏板厚度可适当加厚。JCCAD“基础人机交互输入→筏板”菜单下可以进行单墙冲切、多墙冲切和内筒冲切的验算。应该注意的是对于角部和边缘墙体等，筏板冲切面不规则处，应根据《地规》8.4.7条、8.4.8条和《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）6.5.1条，按照实际冲切面验算筏板厚度。

2 计算参数的合理选取

中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部的JCCAD，是目前国内各设计单位应用最为广泛的基础设计软件之一。平板式筏板基础的设计可以通过JCCAD中，“①地质资料输入②基础人机交互输入③桩筏、筏板有限元计算”，3个主菜单完成。前2个菜单在很多基础设计中都有应用，在此笔者仅对第3项菜单中，一些参数的合理选取做一简单归纳。

2.1 计算模型的选择

一般平板式筏板基础选择“弹性地基梁板模型（桩和土按WINKLER模型）”。其基本假定是地基土边界面上任意点处的沉降与该点所承受的压强成正比，而与其它点上的压力无关。在计算中将土与桩假设为独立的弹簧，虽然简单，但受力明确，考虑上部结构刚度时会比较符合实际情况。顺便提及一下，梁板式筏基一般选择“倒楼盖模型（桩及土反力按刚性板假设求出）”，假定结构上部刚度无穷大，地基反力均匀分布在基础底面，计算方法简单，易于手算。

2.2 考虑上部结构影响

《地规》8.4.21条和《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》（JGJ6—2011备案号J1160—2011）6.2.15条规定，“大面积整体筏形基础上有多幢高层和低层建筑时，筏基的结构计算宜考虑上部结构、基础与地基的共同作用”。JCCAD通过选择“取SATWE刚度SATFDK.SAT”，把上部结构的刚度叠加到基础筏板上，使其基础平面外刚度大大增加，提高了抵抗上部结构传来的不均匀荷载的能力，减少变形差，减小内力与配筋，使得设计更为经济合理。如果想实现这一选项，要在SATWE“②结构内力、配筋计算”菜单下，点取“生成传给基础的刚度”，即可生成上部结构刚度的文件SATFDK.SAT。

2.3 沉降计算及基床反力系数K的选取

沉降计算是筏板计算的核心步骤，其关键是基床反力系数K的确定。基床反力系数K取决于许多复杂的因素，单凭表征土的力学性质很难准确概括。在实际工作中，为了简化计算，是根据基础底板下土层及附加应力影响深度范围内各单一土层土质，综合确定代表整个工程地质状况的基床反力系数K来进行设计。JCCAD在“沉降试算”菜单下，完成“K值”的确定和基础沉降值计算。进入这个菜单后，程序会按照输入的地质资料和上部结构，根椐规范方法计算出沉降，再反推出来一个“板底土反力基床系数建议值”。往往这个数值与JCCAD中附录给出的“K值”相差很多，有时甚至相差一个数量级，这是由于后者来源于用于路基上枕木、轨道计算的苏联规范等原因。设计时应将两者作为参考依据，再根据当地类似建筑的沉降观测经验值Sm，用“总面荷载值（准永久值）（kN/m2）”/“平均沉降Sm（m）”，从而得出实际工程计算所用的“板底土反力基床系数建议值”，同时将此基床系数赋值给板，这时即可得出平均沉降S1（mm）。用这个方法把沉降计算结果控制在合理范围内是非常重要的。同时还要在结果显示中查看板沉降图是否合理，沉降差（整体倾斜）是否满足规范要求，否则应调整筏板或上部结构的布置。

2.4 地基承载力修正

在JCCAD的“②基础人机交互输入③桩筏、筏板有限元计算”菜单中，有筏板板底平均反力和最大最小反力给出，这些数值将和修正后的地基承载力比较，以判定地基承载力是否满足规范要求。关于地基承载力的修正方法，《地规》5.2.4条已有明确说明，这里着重介绍一下高层建筑主楼和裙楼一体时，用于主楼结构地基承载力深度修正的基础埋置深度d的计算方法。1）当裙楼基础底面以上的恒荷载q1小于建筑物四周任意一侧的土重时，可用q1/土体容重，换算成等效计算深度de；2）当裙楼基础底面以上的恒荷载q1大于建筑物四周任意一侧的土重时，可直接依据四周天然地面状况及土的回填情况确定计算埋深d。特别需要指出的是，承载力是地基基础稳定的最首要保障，设计中应给与高度重视。

3 设计中的一些常见问题

JCCAD有时会出现下面的情况，“②基础人机交互输入→重心校核”各工况下的筏板板底反力满足设计要求，而“③桩筏、筏板有限元计算→结果显示→最大反力图”中的土最大反力出现超大的异常情况，这可能是以下原因：1）“①地质资料输入”时保存的文件夹路径太长，或工程文件中文件名字符太长，或者路径中存在斜杠字符“/”和点字符“.”，程序无法正确的提取到模型数据文件；2）地质资料输入不完整，该部分筏板下无地质资料，此时应增加孔点使输入的地质资料范围扩大至筏板所有区域；3）“③桩筏、筏板有限元计算”中，修改筏板布置后，直接进行沉降试算，并对基床反力系数进行地质调整，依次完成计算。此时，无论筏板的参数是否做了改变，均会造成筏板最大反力及配筋的异常。下面是一个工程实例中所出现的问题，图3（a）、图3（b）分别是未修改筏板布置时的筏板板底最大反力和配筋，图4（a）、图4（b）分别是修改筏板布置后（并未改变筏板的任何参数），筏板板底最大反力和配筋。为了避免上述问题的发生，必须在修改了筏板布置（修改为工程实际的筏板布置）后，先做一次“退出程序”操作，再重新进入计算，选取“在原基础上修改或计算（A）”，并依次执行各菜单（此时不得再进行筏板布置的操作），这样就可以得到正确的结果。综上所述，筏板设计时，要认真分析每一个计算结果，对于一些异常数据，要仔细分析其原因，采取正确的修改措施，避免疏漏，以保证整个设计的完整无误。

同时，筏板的细部构造也是不可忽视的。阳角板底应配置放射形构造钢筋，钢筋直径与边跨受力钢筋相同，外端间距不大于200mm，一般为5～7根。其长度外侧可以取到筏板的边，内侧可以取与外侧相同的长度。还有实际工程中，筏板通常会作为地下室外墙（挡土墙）的嵌固端，此时筏板的弯矩应与相应墙体的底部弯矩平衡，配筋要综合考虑。最后筏基的整体抗浮、局部抗浮、裂缝控制及沉降后浇带、伸缩后浇带的设置等均应按相关规范要求严格执行，这里不再详述。