高层建筑基础设计中的荷载取值探讨

2021-04-03李伊

建筑与装饰 2021年6期

李伊

华蓝设计（集团）有限公司广西南宁 530000

1 设计荷载取值对结构安全的影响

1.1 竖向荷载

当前，建筑上部结构的设计计算模型通常是基于基础均匀沉降的前提下，而如若基础出现不均匀沉降，将会导致建筑上部结构的计算出现偏差。因此，在建筑结构设计规范中对建筑基础的沉降差以及倾斜值的要求给予了明确的规定，如此不仅能够确保建筑使用的安全性，而且能够有效避免基础出现不均匀沉降，防止建筑上部结构内部附加应力而导致的裂缝问题；且如若建筑基础出现不均匀沉降，往往会导致建筑上部结构的内力重新分布，并形成一个附加应力，而此应力在原先的设计计算中又未予以考虑，因此，就会导致建筑结构的安全度无法满足设计规范的相关要求。另外，由于风力荷载或地震作用对建筑物产生的附加轴力通常是中间小、周边大，且对于高层建筑物而言这种附加轴力作用更加显著。但是，因建筑物基础的沉降与长期荷载效应是相应的，而结构设计的风荷载和地震作用则较少出现。因此，在基础设计荷载的取值时，如若按照各个基本荷载组合的基顶最大轴力进行建筑基础设计，将会导致在长期荷载组合的作用下建筑物出现整体不均匀沉降，并在建筑上部结构形成附加应力导致上部结构出现开裂。换而言之，按照各个基本荷载组合的基顶最大轴力进行建筑基础设计，并非能够提升建筑结构的安全性能，但如若建筑基础顶部的设计荷载取值过小，就会在一定程度上导致基础出现破坏，甚至会导致建筑出现整体失稳。

1.2 水平荷载

通常，建筑基础设计是基于竖向设计荷载，并结合水平承载力进行相关核算。一般情况下，高层建筑的基础结构多采用较大的深基坑形式，其具有良好的水平嵌固作用，且能够有效满足建筑水平承载的相关要求，此时建筑基础设计的水平荷载选取何种组合方式不会对建筑上部结构造成太大影响。但如若水平荷载过大而按照竖向荷载进行基础设计，往往会造成其水平承载性能不够，则须加大基础构件截面尺寸或埋深，以防止水平荷载取值不当而对建筑基础的稳定性造成影响，甚至导致建筑结构出现失稳倒塌的情况。

2 高层建筑基础设计中的荷载取值

2.1 竖向荷载取值

建筑基础的沉降变形主要是由三个部分所组成，分别为瞬时沉降、固结沉降以及次固结沉降，其中，在基础沉降变形中瞬时沉降占比最小，主固结及次固结沉降则表现出了较为显著的时间效应。由此可见，在进行建筑基础设计荷载的取值时，验算其竖向承载能力应以永久荷载与活荷载的基本荷载组合为主，同时，还应将风力荷载影响以及地震荷载的影响考虑在内。具体而言，是指对于建筑基础不需要进行抗震计算的，应在进行基础设计时采用永久荷载与活荷载组合的基顶荷载取值对桩数及基底面积进行控制，而永久荷载与风载（或永久荷载、活荷载与风载）效应组合的基顶荷载可依据竖向偏心荷载影响下的承载力公式予以验算：即γ0Nmax≤1.2R（该式中的γ0是指重要性系数，Nmax是指最大基底应力，R是指地基承载力设计值）。通过上述公式可知，当在各种基本荷载组合作用下的基础顶面最大轴力小于1.2倍永久荷载与活荷载组合作用下的基础顶面最大轴力时，桩基数量及基底面积须以永久荷载与活荷载组合作用下的基础顶面荷载来进行控制，反之则须以基本荷载组合作用下的基础顶面最大轴力1.2来进行控制。另外，在需要考虑抗震计算的建筑工程中，可通过采取类似于非抗震设计的计算方法，但不同之处在于在按照公式γ0Nmax≤1.2R进行荷载的验证计算时，往往需要将永久荷载与风载（或活荷载及风载）组合作用下的基础顶面内力和重力与地震作用组合下的基础顶面内力进行区分。

此外，对于建筑地基为非液化土时，建筑基础承载力可按照《建筑抗震规范》的相关设计系数进行适当提升，此时即便地震荷载作用对基顶内力比风载作用造成的影响大，地震荷载与重力组合作用下的基顶内力也不一定比永久荷载与风载（或永久荷载与活荷载及风载）组合作用下的基顶内力危险；而对于建筑地基为液化土或存在液化土地层时，因液化土层的承载性能较弱，即便地震荷载的作用对基顶内力比风载造成的影响小，地震荷载与重力作用下的基顶内力也不一定比永久荷载与风载（或永久荷载与活荷载及风载）组合作用下的基顶内力安全。因此，在使用地震荷载与重力组合作用下的基顶内力进行建筑基础设计的验算时，完成修正后的地基承载力特征值已经将地基承载力提高系数以及液化土层的影响数值进行了考虑。同时，由于风载或地震荷载对高层建筑物的基础顶面轴力会造成较大的影响，且各种基本荷载组合作用的基顶轴力通常要大于永久荷载与活荷载组合作用下的基顶内力，所以，按照上述方式开展基础设计计算，相对单纯按照基顶轴力开展基础设计计算更加合理。

2.2 水平荷载取值

高层建筑往往会受到风载以及地震荷载的影响，因此，在建筑基础设计时务须要考虑水平荷载的影响。另外，除了会受到风载和地震荷载的影响外，对处于水土压力不平衡的河道或坡地等位置的建筑基础，还应将动水及静水压力对其的影响考虑在内。此外，在建筑基础的非抗震设计时，由于基础水平变位的影响比土体侧向变形更加显著，因此，基础设计的水平荷载值通常是选基础顶部剪力的最大值。