对高层建筑结构桩基础的简化研究

于爽

摘 要：在高层建筑中，一个重要的组成部分就是桩基础，高层建筑的结构安全与桩基础的设计水平是息息相关的，会产生直接影响。文章主要从桩基础设计与工程应用的概况入手，对桩基础简化设计的必要性及高层建筑结构桩基础的简化设计进行详细分析，从而全面提高高层建筑结构桩基础的简化设计水平。

关键词：桩基础;高层建筑结构;简化;设计

一、引言

近年来，我国经济发展步伐在不断加快，出现了越来越多的高层建筑。然而，当前很多高层建筑在基础设计方面仍不够完善，工程理论的研究要明显的比工程实践落后一些，而且要继续深入研究桩土分担荷载及其各部分的应力计算。由于桩基础的设计水平关系到建筑安全，所以要求桩基础的稳定性及沉降性能必须良好，承受巨大荷载时仍然能确保高层建筑的稳定性。在设计桩基础的整个过程中，要严格勘察施工现场，设计一个合理方案，以保证高层建筑的安全。

二、桩基础设计与工程应用的概况

从高层建筑实际工程来看，桩基础设计是一个基础部分，只有在完成这部分施工后才能继续开展上层建筑的施工，而施工安全和质量均与桩基础设计水平有关，也影响到工程进度。目前，应用比较多的是竖向荷载作用下的桩基础，桩与土两者间会有相互作用产生，在很大程度上影响到桩基的设计。在过去的桩基础工程设计中存在这样的问题，即：静载试验和试桩的结果与设计的要求标准相距甚远。设计师调整了设计参数后，还想采取加密桩的方式进一步调整，静载的试验结果在这一情况的影响下会比设计标准高出很多，尽管保证了安全性，但是提高了经济系数。应不断去改善这种矛盾现象，如果对设计标准的范围超过太多，则必须要重新试桩，然而要注意的是这一做法会导致建筑工程的工期被拖延，不利于工程进行。但是也不应该等静载试验结果出来之后再去设计桩基，那样不仅是对建设周期十分不利，还达不到建设的要求标准。为此，静载试验与试桩设计之间的差距要如何缩短就成为当前亟需解决的问题，同时为保证预估的各项参数与实际更接近，还需要更深入的对单桩静载试验结果进行研究。

三、桩基础简化设计的必要性

高层建筑是一项庞大的工程，其基础部分起到较大的作用，需要基础工程能承受较大的荷载，并且基础埋置深。从现阶段来看，人防工程或是地下停车场等结构需求是大多数高层建筑都有的，基础工程施工的过程中就应该考虑材料的用量问题，还应用到复杂的施工技术，工期也很长。此外，在建筑工程的后续应用方面，整体经济指标所起到的作用是不得忽视的，承载力、沉降量、稳定性等几方面是整体选择中首要考虑的因素，要提升桩基的整体承载力就不得不对桩基础设计形式进行不断改进。

要摒弃以往的设计形式，重新对高层建筑上下部结构进行设计，其中要重视桩基础结构的重要性，对其做出科学分析和利用。同时按当前的分析手段，有限设计形式能积极引导模型的应用，同时还要适当的比较数值技术指标，最终做到理论和实践的统一。通常来说，当前并没有太多可以在坚硬岩石上直接建设的建筑，多数基础工程采用的是箱形基础、钢筋混凝土片筏式基础以及桩基础。因桩基础具有稳定性好、承载力大、在沉降差较小的情况能保持均匀等优势，良好的性能在动荷载方面也得到充分发挥。所以，被广泛应用于基础工程中。

此外，高层建筑结构中的上部结构与基础之间有相互作用力产生，这时就可以将桩、土以及结构看作是一个整体来对待，采用有限元法来解决问题。通过有限元数值模型来详细的分析土体材料性质的空间差异性、复杂的几何边界条件、力学响应的非线性等一些问题，利用数值技术模拟施工过程，模拟出可能会在施工中遇到的各种耦合性因素，并且在电算以及编程方面的效率都较强，由此也促使桩基础设计的工作量得到简化。

四、高层建筑结构桩基础的简化设计对策

在高层建筑结构桩基础设计方面，主要特征就是其复杂又特殊的设计形式。在设计的后续过程中，对设计指标的现有要求要充分考虑到，并且坚持在应用阶段以实际情况为依据，详细分析具体设计形式，从而达到设计要求。

1、“桩土分离模式”简化

设计单桩时为了能达到简化目的，可以采用有限元的设计形式来实现。传统的设计都忽视了桩土结构间的相互作用，比如，通过对地基反力系数法的使用，可以对桩基起到一定的反作用，通过Winker 进行假定，认为其受到反力系数的单纯影响，而有限元的各项设计指标会在不同程度上影响着客观存在的条件。将力学的线性形式作为基础，为有效分析各类条件，同时还要综合分析几何边界条件和土地材料的差异性质，确保将存在的问题都在短期内解决好，这对二次开发具有重要意义。现有的桩基设计对设计的要点和桩土分离形式都做出明确的规定，为了使设计更具有特点和优势，就要在这一基础上进行适当简化。简化处理单桩主要是划分桩和土为两个不同单元，而且是变化的，不是保持静止的，还可以对该单元进行细化。在将有限元应用到单桩简化处理分析的过程中，要有效划分单元数量，注意单元尺寸，从根本上提高工作效率。

2、“桩土复合模式”简化

在计算的过程中，采用有限元分析法，对桩的沉降和荷载关系进行模拟，实现优化处理。在实际中，按照现有的规范处理形式，同时通过群桩基础规范法，所计算出的沉降值要比荷载实际作用下的沉降值大很多。因此，要让数值与简化处理系数的要求尽量更接近，同性平面就应该选用垂直桩土的平面，而横观各向同性体则选用桩土三维结构体系。对于沉降反应方面来说，弹性模量和桩土材料的要求是不同的，要認识到群桩上面作用荷载的特点是明显区别于单桩静力试桩的，应及时简化计算形式。在工程实践阶段，模拟形式都非常精确，比规范要求更精准一些，所以对工程实际测量指标带来直接影响，为了能更好的满足后续结构要求，有必要对其做简化处理，这对工程来说具有重要意义。

3、确定抗压承载力

一般在初步设计时，其基础都是承载力和地基物理指标这两个因素。为了能够有效的控制和评估承载力，就要结合实际承受力去分析各个指标以及所存在的误差。通过试验桩来设定和调整估算值，所以必须能达到整体的桩基设计形式要求，抗压承载力也由此确定。

（1）试验桩

设计施工图的过程中，桩基承载力和其他参数的取得都要靠静载试验来实现。目前，静载试验是一种被广泛应用的检测技术。当前已经有了明确的单桩极限承载力的指标设计要求，因此，要按照实际的地质形式来确定科学的检验手段。

（2）试打桩

桩基形式分析作为施工前一项主要工作，相关施工人员在分析的过程中应该将测定体系及变动方式结合起来，以此为基础，确保所获得的数值是准确又具体的。此外，设计形式在很大的程度上都会影响着管桩设计，所以对于误差的控制采取的最佳办法就是在测量阶段运用变动测试的方式，保证误差不超过15%。相比静载试验形式来说，该试验方式更具有优势，比如，周期短、成本低、应用范围广等。

结语

综上所述，基础工程在高层建筑中需要承受很大的荷载，其重要性是不容忽视的。而桩基础是一种基础工程施工形式，沉降性能好又有较强的稳定性，被广泛应用于高层建筑中。所以，要简化设计结构桩基础就显得尤为重要，这对建筑行业的发展具有重要意义。

参考文献：

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