張玉鑫　王素花

摘要：高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的潛力很大，主要為基礎(chǔ)底板所承受彎曲內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算值和地下室對基礎(chǔ)整體的有利貢獻(xiàn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況認(rèn)真分析。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)潛力 高層基礎(chǔ)

0 引言

高層建筑的基礎(chǔ)上部整體連接著層數(shù)很多的框架、剪力墻或筒體結(jié)構(gòu)，地下室四周很厚的擋土墻又緊貼著有效側(cè)限的密實(shí)回填土，下部又連接著沿深度變化的地基。無論在豎向荷載還是水平荷載的作用下，他們都會有機(jī)的共同作用，相互協(xié)調(diào)變形。盡管在這方面的設(shè)計(jì)計(jì)算理論不夠完善，但如果把基礎(chǔ)從上部結(jié)構(gòu)和下部地基的客觀邊界條件中完全隔離出來進(jìn)行計(jì)算，是無法達(dá)到真正設(shè)計(jì)要求的目的的。現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員所用的一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序也沿襲著不具體充分考慮相互作用的常規(guī)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果往往和工程實(shí)測的結(jié)果有一定差距。

1 基礎(chǔ)底板的內(nèi)在潛力

無論是箱基還是筏基，諸多工程的實(shí)測都顯示：底板的整體彎曲率都很小，往往都不到萬分之五。據(jù)資料顯示法蘭克福展覽會大樓的筏板實(shí)測繞曲率只有2.55x10-4。而測得的筏板鋼筋應(yīng)力一般都在20-30N/mm²之間。個別內(nèi)力較大的工程也極少超過70N/mm²。出現(xiàn)這種基礎(chǔ)底板內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算方法的因素很多，如在基礎(chǔ)底板施工時，只有底板的自重，且無任何上部結(jié)構(gòu)的邊界約束，而混凝土的硬化收縮力大，在底板的收縮應(yīng)變的過程中，使混凝土的縱向鋼筋產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，若混凝土的硬化收縮當(dāng)量為15℃，則鋼筋的預(yù)壓應(yīng)力可達(dá)31.5N/mm²，據(jù)相關(guān)資料陜西省郵政電信網(wǎng)管中心大樓測得的筏板鋼筋預(yù)壓應(yīng)力為31.5N/mm²，相當(dāng)于十分之一的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而在正常工作狀態(tài)下抵消了部分拉應(yīng)力，使鋼筋的受力變?。涣硗?，基礎(chǔ)底面和地基土之間巨大的摩擦力起著一定程度的反彎曲作用。摩擦力使整棟建筑的客觀邊界條件不能視而不見。特別是對于天然地基的箱形和筏形基礎(chǔ)來講，地基土都比較堅(jiān)實(shí)，變形模量、基床系數(shù)都比較大，則基礎(chǔ)底板的內(nèi)力和相應(yīng)的撓曲率勢必會相應(yīng)減少。

除上述因素外，最主要的是上部結(jié)構(gòu)和地下室整體剛度的貢獻(xiàn)，并參與了基礎(chǔ)的共同抗力，起到了拱的作用，從而減小了底板的撓曲和內(nèi)力。對若干工程基礎(chǔ)受力鋼筋的應(yīng)力測試表明，在建筑物施工底部幾層時，基礎(chǔ)鋼筋的應(yīng)力是處于逐漸增長的狀態(tài)，變形曲率也逐漸加大。施工到上部第四、五層時，鋼筋的應(yīng)力達(dá)到了最大值。然后隨著層數(shù)及其相應(yīng)的荷載逐步增加，底板鋼筋的應(yīng)力又逐漸減小，變形曲率也逐漸減緩。其原因是，在施工底部四、五層時。已建上部結(jié)構(gòu)的混凝土尚未達(dá)到強(qiáng)度，剛度也尚未形成，這時的上部荷載全部由基礎(chǔ)底板來單獨(dú)承擔(dān)。而隨著繼續(xù)往上施工，上部結(jié)構(gòu)的剛度逐次形成，并逐漸加大，和基礎(chǔ)底板整體作用，共同抗力，則產(chǎn)生拱的作用，使基礎(chǔ)地板的變形趨于平緩。例如北京中醫(yī)院工程箱形基礎(chǔ)的現(xiàn)場實(shí)測顯示，底板和頂板均為拉應(yīng)力，充分說明了由于上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)共同作用，彎曲變形的中和軸以移到上部結(jié)構(gòu)。

綜合上述可以看出，高層建筑基礎(chǔ)底板實(shí)際所承受的彎曲內(nèi)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算值，有很大的內(nèi)在潛力。所以在具體工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，必須細(xì)心把握，否則基礎(chǔ)截面和配筋量都會比實(shí)際所需的大很多，造成不必要浪費(fèi)。

2 地下室對基礎(chǔ)的潛在貢獻(xiàn)

高層建筑宜設(shè)置地下室，因?yàn)榈叵率页四茉黾咏ㄖ锏氖褂每臻g功能外，還在整個建筑物的正常工作狀態(tài)下，其下對地基基礎(chǔ)，上對地面以上整體結(jié)構(gòu)的受力性能都會有很大貢獻(xiàn)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

地下室深基坑的開挖，對天然地基或復(fù)合地基的基礎(chǔ)能起到很大的卸載和補(bǔ)償作用，從而減少了地基的附加壓力。例如，一棟地上36層，地下2層的高層建筑，若筏板底埋深9m，在基坑周圍井點(diǎn)降水后，將原地面以下9m厚的巖土挖去建造地下室，則卸去的土壓力為9x18=162kPa,約相當(dāng)于10層樓的標(biāo)準(zhǔn)荷載重量。如果該場地的地下水位為地表下2m，當(dāng)?shù)叵率医ǔ珊?，井點(diǎn)降水終止，則地下水回升正常水位的浮托力為70kPa，約相當(dāng)于4層樓的標(biāo)準(zhǔn)荷載重量。所以，地基實(shí)際上所需支承僅36+2-10-4=24層樓的荷重，卸去了約36%的上部荷載，從而大大降低了對地基承載力的要求。

由于地下室具有一定埋置深度，周邊都有按設(shè)計(jì)要求夯實(shí)的回填土，所以地下室前、后鋼筋混凝土外墻的被動土壓力和側(cè)墻的摩擦阻力都限制了基礎(chǔ)的擺動，加強(qiáng)了基礎(chǔ)的穩(wěn)定，并使基礎(chǔ)底板的壓力分布趨于平緩。所以，很多資深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵率业穆裆畲笥诮ㄖ锔叨鹊?/12~1/10時，完全可以克服和限制偏壓引起的整體傾復(fù)問題。對于高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)工程師必須加強(qiáng)對地下室周邊回填土的質(zhì)量要求和控制，以避免不認(rèn)真夯實(shí)回填土的情況產(chǎn)生。內(nèi)摩擦角越大，土回填就越密實(shí)，抗剪強(qiáng)度越高，提供的被動土壓力也就越大，對基礎(chǔ)的穩(wěn)定越有保證。同時地下室外墻與回填土之間巨大接觸面積上的摩擦力同樣也對地基基礎(chǔ)起著很大的卸載與補(bǔ)償作用。

地下室結(jié)構(gòu)的層間剛度要比上部結(jié)構(gòu)大得多，地下建筑的井筒、剪力墻和柱都直接貫通到地下室，特別是地下室外墻都是很厚且開洞極少的鋼筋混凝土擋土墻，在大面積的被動土壓力與摩擦阻力的側(cè)限下，與地基土形成整體，地震時與地層移動同步。所以無論是箱形還是筏形基礎(chǔ)，地下室的頂板和底板之間基本上不可能出現(xiàn)層間位移。而且，地下室與地基及周邊土的共同作用又反過來對上部結(jié)構(gòu)的整體剛度提供了一定的補(bǔ)償性貢獻(xiàn)。無論是模擬試驗(yàn)和理論分析的結(jié)果都充分顯示，在上部結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)條件完全相同的情況下，有地下室的高層建筑的自振周期要比無地下室的小，而且有樁基的要小于天然地基的，大直徑樁的要小于小直徑樁的。同時，有兩層地下室的整體剛度要大于只有一層地下室的。

總之，高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的潛力很大，如果在所依據(jù)的計(jì)算理論不夠完善的情況下，再無端保守的加大箱（筏）形基礎(chǔ)底板的厚度、配筋量和布樁的數(shù)量，會造成很大的浪費(fèi)和及其不良的綜合經(jīng)濟(jì)效益。在具體工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)憑借自身擁有的概念和正確的判斷力進(jìn)行把握，如果一味盲目保守，不但有損自身信譽(yù)，造成很大浪費(fèi)，還有被行業(yè)淘汰的可能。

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