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浅析高层建筑平板式筏基的设计与施工  

2010-05-16 15:32:17|  分类: 房屋结构设计 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘  要:随着我国经济的飞速发展,城市里高层建筑也在迅猛发展,且大部分都是住宅、宾馆或办公写字楼型的高层建筑。这类建筑,柱网布置一般比较规整,柱荷载不大,上部建筑结构刚度比较好。其基础在设计过程中,需要着重考虑基础的设计条件、结构选型(桩基、桩筏基、筏基等形式),天然地基的充分利用和解决相邻建筑物基础沉降影响等问题。着重探讨平板式筏基在实际设计中的若干问题。
关键词:高层;平板式筏基;设计
建筑物采用何种基础型式,与地基土类别及土层分布情况密切相关。工程设计中,常遇到这样的地质情况,地下室底板下的岩土层为风化残积土层、全风化岩层、强风化岩层或中风化软岩层,因此,有可能采用天然基础。高层建筑地下室通常作为地下停车库,建筑上不允许设置过多的内墙,因而限制了箱型基础的使用;筏板基础既能充分发挥地基承载力,调整不均匀沉降,又能满足停车库的空间使用要求,因而就成为较理想的基础型式。筏板基础主要构造型式有平板式筏板基础和梁板式筏板基础,平板式筏板基础由于施工简单,在高层建筑中得到广泛的应用。
1 平板式筏基的设计条件
基础的设计,必须满足以下三个条件的要求:
(1)基础承受的荷重,不得超过地基的允许承载力,以保证安全。(2)基础的总沉降量及差异沉降量必须控制在一定限值之内,以保证上部结构不致损坏。(3)必须预先估计新建房屋本身及其在施工过程中的必要操作对毗邻房屋的影响,以便采取必要的保护措施。在保证安全使用的条件下,还要考虑它的综合经济效果。要求工期短、费用省,而这个费用和工期都不是仅仅考虑基础的本身,而是考虑到整个建筑物的建造和运行。
在确定基础型式时,应当通盘考虑地基、基础及上部结构的刚度以及施工顺序,恰当地估计在整个施工和使用过程中可能发生的基础沉降及差异沉降。在此仅析天然地基上平板式筏基的设计条件:
在天然地基上应用平板式筏基,除了以上所述的条件外,最重要的是上部建筑荷载组合下总体轴力、弯矩等作用下,基底的最大压应力必须小于修正后地基承载力。这类筏基绝大部份是作为补偿式基础,只要持力层承载力高,又无软弱下卧屋,且建筑面积的刚度中心与基础形心接近或重合时,均可考虑采用平板式筏基。
2 平板式筏基的结构设计
2.1地基基础结构方案选择
高层建筑常用的基础结构型式为桩基础:
(1)采用预应力管桩基础,以强风化花岗岩为桩端持力层,由于场地基岩埋深相对较浅,地下室开挖后,最短有效桩长仅为2m左右,且场地局部地段在残积层中存在中风化岩孤石,对预应力管桩施工带来困难。(2)采用人工挖孔桩基础,以中微风化花岗岩为桩端持力层,人工挖孔桩成孔时要穿过坚硬土层进入稳定、完整的基岩需要降水和爆破,且要等到龄期后才能进行桩的检测和验收,施工周期长,工程投资高,同时,人工挖孔桩还存在施工危险性高,容易对周边建筑物造成影响等缺点。
2.2筏板基础的平面布置
尽量使建筑物重心与筏基平面的形心重合。筏基边缘宜外挑,挑出宽度应由地基条件、建筑物场地条件、柱距及柱荷载大小、使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定,一般情况下,挑出宽度为边跨柱距的1/4~1/3。
2.3选用恰当的地基棱型和计算方法
一个筏基可以包括两个独立的受力系统:一是底板,另一是加劲结构系统。底板的板底应力应符合公式的要求:
Pkmax=(Fk+Gk)/A+M/W≤1.2fa。
平板筏基的内力分析,理论上有刚性板法和弹性地基梁、板法。对于刚性板法,它可按倒楼盖的假定进行设计,以板底净反力作为分布荷载,柱(墙)视为支座进行内力分析,计算筏板由局部弯曲引起的内力。虽然可以不考虑整体弯曲,但在端部附近范围内拟增大基底反力10%~20%;对于相邻柱间荷载与柱间距变化不大时,也可采用条带法计算。
对于弹性地基梁、板法,由于计算元素数量多,运算工作量大,通常采用计算机程序辅助设计。将筏板设成两种基本单元——矩形弯曲板单元和板架梁单元,并提供三种地基模型:
(1)文克尔地基模型;(2)分层总和法(又称有限压缩层)地基模型;(3)有桩基约束的地基,即复合地基模型。
根据不同的土层地质情况,选用相应的地基模型:
文克尔地基模型,适用于软土地基,压缩层较薄的地基、砂土地基等,在实际使用时,重要的是选用适当的基床系数。
分层总和法地基模型,适用于地基较复杂、地基刚度变化大或需要计算沉降值的基础。
复合地基模型,较适用于筏板下有桩的情况。
筏板的板厚,按现行规范提供的冲切计算公式确定。筏板厚度须满足冲切承载力要求,且应验算距内筒边缘或柱边缘h0处筏板的受剪承载力。当筏板厚度有变厚时,还应验算变厚处筏板的受剪承载力。
2.4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确定,同时要满足抗渗要求,局部柱距及柱荷载较大时,可在柱下板底加墩或设置暗梁且配置抗冲切箍筋,来增加板的局部抗剪切能力,避免因少数柱而将整个筏板加厚。除强度验算控制外,还要求筏板基础有较强的整体刚度。一般经验是筏板的厚度按地面上楼层数估算,每层约需板厚50mm~80mm。本工程塔楼地上21层,筏板厚度为1100mm;部分轴力较大的柱,柱下板底加墩,柱墩厚度为1600mm。
2.5筏板基础的内力分析
筏板基础的内力分析常用简化计算方法,其最基本的特点是将由上部结构、基础和地基3部分构成的一个完整的静力平衡体系,分割成3个部分,独立求解。倒楼盖法是应用得最广泛的一种简化计算方法。倒楼盖法适用于地基比较均匀、筏板基础和上部结构刚度相对较大、柱轴力及柱距相差不大;其缺点是完全不能考虑基础的整体作用,也无法计算挠曲变形,夸大上部结构刚度的影响。
上部结构、基础和地基三者的关系是相互影响、相互制约的关系。把上部结构、基础和地基三者作为一个共同工作的整体的计算方法,其最基本的假定是上部结构与基础、基础与地基连接界面处变形协调,整个体系符合静力平衡。对于基础,由于考虑了上部结构的贡献,使其整体弯曲变形和内力减小,而取得较为经济的效果;对于上部结构,由于考虑了因基础变形引起的变形,这种变形将使上部结构产生次应力,考虑了这种次应力,结构将更安全。
2.6平板式筏基的结构构造
现行建筑《地基基础设计规范》中,对平板式筏基的计算及构造作了详细的规定。
钢筋的配置,平板式筏基柱下板带和跨中板带的底部钢筋应有1/2~1/3贯通全跨,且配筋率不应小于0.15%;顶部钢筋应按计算配筋全部连通。为加强筏板的强度,可沿柱网下增设暗梁,每侧比柱宽出50mm,梁高与板厚相同,利用筏板配箱作为暗梁纵向钢筋,布置一定量的箍筋。以构成柱下暗梁。
平板式筏基板厚往往比较厚,宜每隔20~40m设置后绕带,或按超长超宽大体积混凝土的进行无缝设计与施工。
平板式筏基具有许多优点,它能最大限度地发挥地基的承载力,并且具备足够的刚度以调整不均匀沉降,或跨越地基局部的小溶洞或溶槽。它结构简单,施工方便,工期短,对于上部建筑较规整的柱网和柱(墙)荷载不大的情况下,选用平板式筏基最为适宜;在当采用条基或交叉梁基础难以满足地基承载力或变形要求时,平板式筏基是一种很好的选择。
高层建筑基础设计是整个结构设计的重要一环,其设计合理与否,关系到建筑物的安全和使用及施工工期和投资额度。通过工程实例,对高层建筑基础的选型进行探讨,并着重介绍平板式筏板基础的结构设计,对考虑上部结构、基础和地基共同作用,运用有限元法分析筏板基础内力进行全面阐述,希望得到进一步的总结和修正。

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