广东名都设计有限公司510510
摘要：基础设计对于结构工程师来说是最难的问题之一。筏板基础作为常见的基础形式之一，主要应用于高层建筑，适用于地基土质差，或建筑物要求基础有足够的刚度来调节不均匀沉降。随着我国经济建设形势及科技的迅猛发展，高层建筑的建设呈现出数量大，层数多，结构体系新颖，计算理论和施工方法不断更新的趋势。高层建筑的受力复杂，对基础的强度、刚度和稳定性的要求也更加严格。本文阐述了筏板基础埋深及承载力的确定、筏板基础的结构设计，对今后类似项目的基础设计提供了一定思路和方法，具有一定的参考价值和借鉴意义。
关键词：高层建筑；建筑结构；筏板；基础设计
高层建筑的水平荷载和垂直荷载数值都比较大，伴随着建筑层数的增加，其水平荷载产生的剪力大大增大，导致引起的倾覆力也成倍增长，这样就导致高层建筑的受力更为复杂。要求地基能够提供更高的水平承载力和竖直方承载力，同时将沉降量及倾斜度控制在合理范围内，那么就要选择与其要求相对应的理论方法和基础形式，对高层建筑结构的基础设计就尤为重要，在整个建筑体的结构中起着举足轻重的作用，其中核心是对结构中筏板基础的设计。筏板基础是指当建筑地基比较软弱、承载力低、上部结构的负荷承载量大且十字型基础不能提供足够底面积时，可以采取的一种建筑结构基础设计方式，对筏板基础有效合理的设计能够为提高整个建筑体结构的安全性提供基础保证，同时也是关于到建筑整体质量的基础。
1、工程地质概况
本工程场地内基岩埋深较浅，其中强风化岩埋深基本在5～6m左右，承载力标准值，kPa≥500kPa，地下室底板面相对标高为4.5m，因此如采用厚板片筏基础，底板将基本落在强风化岩上，可以利用强风化岩作为筏板持力层，小部分落在残积土层的可用C10混凝土换填。筏板基础的整体刚度好，可以调整基础的不均匀沉降，施工简便，能有效缩短工期，且本工程柱荷载相差不太大，也有利于减少基础的不均匀沉降，并且降低工程造价。
2、高层建筑基础选型
在整个结构设计中，高层建筑基础选型是一个最重要组成部分，直接关系到工程造价、施工难度和工期，因此应认真研究场地岩土性质和上部结构特点，通过综合技术经济比较确定。高层建筑的基础选型应因地制宜，除基础应满足现行规范允许的沉降量和沉降差的限值外，整体结构应符合规范对强度、刚度和延性的要求，选用桩基或筏基都不是绝对的，而安全可靠、经济合理才是基础选型的标准。高层建筑的基础除直接建于坚硬的岩石上外，一般有如下几种类型：
2.1十字交叉条形基础
在柱网下纵、横两个方向上均设置钢筋混凝土条形基础，使上部结构在纵横两个方向均有联系。这种基础适宜于地基较弱，土的压缩性或柱荷载的分布在两个方向都很不均匀的情况。设置十字交叉基础后，可以进一步扩大基础的底面积，同时由于这种基础具有空间刚度，可以调整结构的不均匀沉降。
2.2筏板基础
当地基很软弱，承载能力低，而上部结构传来的荷载又很大，以致于十字
条形基础还不能提供足够的底面积时，可采用钢筋混凝土筏板基础。它可做成
平板式和梁板式两种。
2.3桩基
高层建筑结构作用在基础上的荷载大，基础埋置深，一般设置地下室并常常有作为人防工程或地下停车库等要求，因此，基础工程的材料用量多、施工复杂且施工周期长，其技术经济指标对建筑总造价有很大影响。高层建筑的基础除极少数可直接建于坚硬的岩石上以外，一般采用钢筋混凝土片筏式基础、箱形基础或桩基础，而桩基础是高层建筑最常用的基础形式。桩基可采用钢筋混凝土预制桩、灌注桩或钢桩。桩基选择和承台设计应根据上部结构类型、荷载大小、桩穿越的土层、桩端持力层土类、地下水位、施工条件和经验、制桩材料供应条件等因素综合考虑，做到技术先进、经济合理，确保工程质量。
2.4箱形基础
当地基很软且不均匀，采用筏板基础刚度小，难于满足要求时，可采用箱
形基础。该基础是一种具有很大底面积、埋深和整体刚度的基础，与一般基础
相比，有很大的刚度，能有效地扩散上部结构传给地基的荷载，同时又能较好
地抵抗由于局部地层土质不均匀或受力不均匀所引起的地基不均匀变形，减少
沉降对上部结构的影响。与地下室结合，充分利用建筑物的地下空间。但是由
于它要耗费较多的钢筋和混凝土，同时还要考虑解决大面积开挖所带来的施工
难度，所以一般要根据建筑物的具体要求，通过与其它地基基础类型进行技术、
经济比较才能确定是否适用。地基基础方案的选择是受上部结构类型、使用荷载大小、施工设备及技术力量等多种因素制约的。对每一个具体工程，应在满足上部结构要求的条件下，结合工程地质、工程所具备的施工力量以及可能提供的建筑材料等有关情况，综合考虑，通过经济技术比较，确定最佳方案。
3、高层建筑结构筏板基础的优点
筏板基础作为典型浅基础的形式，主要用来承担上部建筑物的荷载。但是因为高层建筑的荷载通常情况下都相对较大，不少工程在设计施工的过程中一般都很少使用筏板基础，而改用桩筏基础或者是桩基础等基础的形式。但是在部分情况下，经过细致的研究，选择筏板基础来代替桩筏基础或者是桩基础，将会具备如下的优点：
①筏板基础通常情况下具有较大的整体刚度，可以在一定程度上对地基的不均匀沉降进行调节。
②残积层较厚时，桩基础投资相对较大，而且施工时间也很长。
③桩基础在施工过程中对于周围环境的影响相对较大。
④桩基础通常情况下是需要检测的，检测不合格还须进行必要的加固。
⑤筏板基础的安全系数通常是大于4的，而桩基础的安全系数通常是2。
⑥筏板可以应用到地下室结构中。
⑦筏板基础的惯性矩通常是较大的，在风荷载等横向荷载的作用下，地基应力的增量相对较小。
⑧筏板基础的固定点位于基础板位置，而桩基础的固定点位于承台下方，所以，地震引起的水平力对于筏板基础的影响相对较小。
⑨桩基础在地震过程中会产生相互激扰，导致不同步问题的产生，容易形成相互影响而造成破坏。
⑩筏板基础的抗震刚度相比桩基础要大。
4、高层建筑结构筏板基础计算模型的选取
根据弹性厚板的原理及有限元分析的方法，利用有限元软件SAP2000来建立筏板基础的三维有限元模型，如图所示，筏板按照厚板理论，采用三维四节点板单元。采用厚板方程进行计算，考虑横向剪切变形的影响。总的来说，地基土是存在非线性性质的，但在工作荷载下，地基土基本上处于弹性范围内，土体的非线性性质表现不明显，土体内的塑性范围很小。因此，忽略塑性变形所导致的误差也很小。为了简化计算，本文用线弹性模型来模拟地基土和筏板在工作荷载下的性状。
筏板基础计算模型图
5、高层建筑结构筏板基础设计思路
5.1筏板基础埋深与承载力的确定
城市中的高层建筑比较密集，因而必须设置水池、设备用房、人防工程以及车库等地下室，并根据其功能的具体要求来确定建筑物地下室的层数和层高，这就相应的确定了基础需要的埋深，之后根据基础的埋深以及建筑场地土层的特点来选择基础的类型，分析是否可以使用天然筏板基础；因为地区的地下水位较高以及地下室需要一定的埋置深度，天然筏板基础又是补偿性的基础，所以在确定地基时可以有两种办法，一是根据地基承载力的设计值来确定。这种方式根据地基承载力的标准值按相关规范根据深度与宽度的修正，从而得到承载力特征值，并采用标惯试验以及压板试验等和室内土工试验相结合的判断方法来对岩土的特点进行确定。
5.2筏板基础的沉降
地基的验算主要包括承载力与变形两方面的内容，目前对于地基变形的精确计算相对较为困难，选择各向同性均质的线性变形体计算模型，使用分层总和法求得的自由沉降量通常与实测的地基变形量存在差异。这主要是由下列因素决定：
5.2.1因为理论假定条件和实际状况是不同的。
5.2.2由于计算公式中选择的计算参数、试验条件以及实际条件的不同所导致的。
5.2.3由于公式计算出的建筑物沉降量仅仅和基础的尺寸相关，而实测的沉降量已经受到基础刚度的影响。所以，对高层建筑的地基变形进行计算时，因为施工土层较厚通常会引起地基的回弹变形，从而使地基形成微量的隆起，地基回弹再压缩的变形是不能忽略的。在实际施工的过程中，回弹再压缩模量的测定与计算相对较为困难，根据实际经验，回弹量大概是公式计算变形量的10～30%之间，高层建筑实际沉降观测的结果将是该计算值的1.1～1.3倍之间。
5.3筏板基础的结构设计
筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和肋梁式筏基，包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁。一般情况下宜将基础肋梁置于底板上面，如果地基不均匀或有使用要求时，可将肋梁置于板下，框架柱位于肋梁交点处。在具体筏基设计时应着重考虑如下问题：
5.3.1在设计时应当尽量让筏板基础的形心语上部结构的荷载重心重合，进而确定底板的尺寸和形状，若必须将底板设置成悬臂板时，可以综合考虑各方面因素影响，尽量减少由于基础底部的反力值过大而导致基础承受弯矩作用的影响；
5.3.2筏板的厚度要满足相应的抗渗要求，主要是由抗剪强度以及抗冲切的强度进行确定。一般来说，板厚应该要在400mm以上，而对于部分轴力比较大的墙、柱，筏板的厚度应该要适当加厚。尤其是针对角部和边缘部分的墙体，以及不规则的筏板冲面，应该要按照实际的冲切面来对筏板的厚度进行计算。
5.3.3无肋梁筏板基础的配筋可近似按无梁楼盖设柱上板带和跨中板带（倒楼盖法）的计算方法进行，精确计算可用有限元法；对肋梁式筏基，当肋梁高度比板厚大得较多时，可分别计算底板和肋梁的配筋，即底板以肋梁为固定支座按双向板计算跨中和支座弯矩，并适当调整板跨中和支座的配筋。
5.3.4底板的构造配筋：对于筏板基础的受力钢筋应当满足0.15%的最小配筋率要求，对于悬挑板应在其角处安放附加钢筋；在设计设计时，设计人员往往忽视规范对于构造筋的要求，只是注重结构钢筋的配置。
5.4梁板式筏板基础构造要求
5.4.1梁板式筏板基础的底板和基础梁除满足计算要求外，纵横方向都支座钢筋尚有1/2~1/3贯通全跨，其配筋率不应小于0.15，跨中钢筋应按实际配筋全部贯通，
5.4.2梁板式筏板基础板厚应满足最小构造要求，对于12层以上都高层建筑，筏板厚度不应小于400，底板厚度与最大双向板格都短边净跨之比尚不应小于1/14，基础底板计算应考虑经济性要求，筏板厚度太薄则计算配筋偏大，虽然混凝土用量少，但钢筋用量偏大，可能不经济，相反，筏板厚度偏厚，以致构造配筋比计算配筋还大，使混凝土和钢筋用量都会增加，同样不经济，应考虑实际工程中筏板跨度选取合适的板厚。
5.4.3梁板式筏基当筏板混凝土强度小于柱混凝土强度时，尚应考虑局部承压承载力验算，因基础结构混凝土体积一般较大，为防止混凝土凝结硬化过程中水化热引起温度效应及混凝土收缩对结构构件的不利影响，基础结构一般都采用强度较低都混凝土，因此，柱混凝土强度等级一般都原高于筏板都混凝土强度等级，因此应按《混凝土结构设计规范》GB50010-2010验算局部受压承载力。
6、结语
高层建筑基础选型是整个结构设计中的一个重要组成部分，直接关系到工程造价、施工难度和工期，其设计的合理程度关系到整个建筑物建设的安全和施工工期进度。筏板基础设计作为基础设计中重要核心部分关系到建筑主体基础部分建设的安全质量，所以要加强对高层建筑筏板基础的设计，在具体设计中要考虑到所涉及各方面的细节问题，首先确定筏板基础的深埋和承载力，其次做好对天然筏板基础的变形量计算，然后做到注重对筏板基础结构的设计，最后做好筏板基础中抗浮锚杆的设置，来做到对筏板基础设计的合理性、科学性、准确性，从而保证整个建筑建设的质量和安全。
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