上部结构考虑不同地震影响下的桩筏基础设计

雷小雨

(甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 前 言

西北地区常见地质条件为湿陷性黄土层，桩筏基础为这类地质条件下的高层建筑提供了一个可靠选项，使得桩筏基础在这片土地用的广泛而普遍。桩筏联合基础兼有筏形基础和桩基础的优点，既可降低基底压力，增加整个基础刚度，调整地基不均匀沉降，又解决了特殊地基情况下的稳定性和安全性，如持力层埋置较深、软弱地基土、边坡及岸边等不利条件。

《建筑抗震设计规范》(GB5011—2010)规定了桩基需验算抗震承载力的条件，一般高层建筑桩筏设计均需考虑地震作用影响。而随着建筑高度的增加，地震力和风荷载代替重力荷载成为对结构变形、整体稳定和倾覆安全性的主要影响原因。桩筏基础设计时竖向拉、压荷载由桩基承担；而平面布置、不均匀沉降、风荷载和地震带来的水平力等引起的弯矩、剪力、局压力等由筏板承担。

1 设计要点

高层建筑由于上部结构需考虑不同地震影响，而基础承担不同的倾覆力矩有不同的布桩方式、内力分布和设计方法等。桩筏联合基础中筏板厚度与桩布置方式有关，当桩沿上部墙、柱布置无错位时，筏板相当于水平力转换底板，厚度按底板以上房屋总层数乘以30 mm估算；桩也可在底板下平均布置，与上部墙、柱错位，需要再以受冲切承载力验算确定板厚，不应小于500 mm。配筋率不宜小于0.25，双层双向配筋。基础埋深不得小于1/18。单桩承载力应满足《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)中5.2节相关要求。

根据《甘肃省钢筋混凝土高层建筑结构高宽比超限抗震措施暂行规定》验算罕遇地震作用时需加大基础有效埋深，倾覆力矩采用小震倾覆力矩乘以放大系数的简化办法，按公式PMAX≤1.2faE，NEKmax≤Quk(抗压)，NEKmax≤Tuk+Gp(抗拔)控制，公式右边也可采用载荷试验确定的极限值。底板悬挑长度宜相应增大，且不小于板厚，并验算此处抗弯、抗剪、抗冲切承载力。

2 设计实例

本文选取的高层建筑均为剪力墙结构，工程抗震等级均为8度(0.2 g)，设计地震分组为第三组，Ⅱ类场地，基础设计等级和建筑桩基设计等级均为甲级。由于高宽比不同，采取的抗震措施不同，工程一进行小震计算满足即可；工程二由于高宽比超限，需考虑大震作用。基础计算均采用YJK-F，地基沉降采用分层总和法，基础整体内力和变形计算采用弹性地基梁板法，基础采用板单元，考虑上部结构一定的刚度，筏板厚度由剪力墙及桩的冲切验算控制。

工程一：某高层住宅，位于甘肃省天水市秦安县，房屋高度71.60 m，高宽比5.48，超规范限值1以内，基础部分控制多遇地震下桩不出现拉力。筏板厚度1 300 mm，桩采用长螺旋钻孔压灌混凝土旋喷扩孔桩，基础底板悬挑长度为≥0.6m。荷载准永久组合下，基础最大沉降值22 mm，小于规范的规定的平均沉降200 mm，且基础整体倾斜小于2.5‰。筏板、承台截面计算无超筋超限情况(见图1～2)。

图1 工程一桩位、筏板布置图

图2 基桩多遇地震下基桩竖向力

工程二：某高层住宅，位于兰州市，房屋高度98.63 m，高宽比7.03，超规范限值2～3，属于省定高宽比超限的高层建筑工程，基础部分控制多遇地震下桩不出现拉力，罕遇地震作用下验算单桩抗压、抗拔承载力和筏板外挑部分大震下抗弯、抗剪及抗冲切计算。筏板厚度1 500 mm，桩采用干作业机械钻孔灌注桩。荷载准永久组合下，基础最大沉降值12 mm，小于规范的规定的平均沉降200 mm，且基础整体倾斜小于2.5‰。

罕遇地震作用下，加强基础埋深不得小于1/16，本工程基础埋深1/14.2；基础底板悬挑长度为≥1.50 m，最不利外挑长度3.40 m；结构倾覆力矩取2.2倍多遇水平地震作用下倾覆力矩，基底外挑筏板处弯矩M=2 226 kN·m，剪力V=2 492 kN，经验算不需配置箍筋，需要配置弯起钢筋。图3为工程二桩位、筏板布置图。

图3 工程二桩位、筏板布置图(图中阴影桩为抗拔桩)

图4为基桩多遇地震下基桩竖向力，图5为基桩罕遇地震下基桩竖向力。

图4 基桩多遇地震下基桩竖向力

图5 基桩罕遇地震下基桩竖向力

3 结 论

1)经过比较，多遇地震下桩筏联合基础中角桩和边桩的桩顶反力明显大于内部桩，呈现“马鞍形”，尤其以桩集中在墙下布置更为明显，可以适当加大该处筏板配筋。以墙体及周边为范围布置桩基，适当增大无竖向构件区域桩间距的布桩方式，可以充分发挥地基土和筏板的共同作用，减少桩数，比较经济；当由于承载力影响，均匀满布桩基时，内力分布与地震作用方向相近，刚度较弱易倾覆方向的建筑横方向处边桩反力更大。

2)考虑罕遇地震影响时，筏板悬挑端长度增加，抗弯钢筋增多，桩数明显增加。应主要控制建筑横向筏板外悬挑端基底压应力、桩的抗压抗拔承载力，增加此处桩数以及布置抗拔桩；同时，此处筏板悬挑边缘也会出现最大弯矩、剪力，通过配置抗剪箍筋和抗弯钢筋等措施解决。

桩筏联合基础设计需要考虑的因素还有很多，比如沉降、桩土共同作用、上部结构刚度等，也有不少关于桩筏基础中桩、筏和地基土的共同工作性态的研究，对于基础设计合理、降低基础造价很有意义。本文从实际工程中遇到的不同地震影响下高层建筑桩筏基础设计时遇到的问题出发，简单地总结了一般规律和提出常用构造措施，列举了两种情况下设计时不同的考虑方式，为同类工程设计提供一些参考。

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