高层住宅建筑基础设计及优化探讨

高层住宅建筑基础设计及优化探讨

李中生

关键词：高层住宅；建筑基础；优化设计；探讨

1导言

现如今城市中高层住宅建筑项目中基础结构的设计越来越被人们所重视，其在高层住宅建筑中的作用也是越来越突出。综上所述，高层住宅建筑的基础结构的设计受到多方面因素的影响，包括地基土、上部结构等。在设计过程中要注意上部结构、地基以及基础结构和三方面的联系，综合考虑就可以在设计中避免很多不必要的麻烦。除此之外，设计人员的自身的技能和修养也是设计好坏的关键因素，设计人员有过硬的设计水平再加上很好的责任心就可以对设计过程中出现的问题及时的解决。基础结构的设计是高层住宅建筑设计的关键部分，建筑企业在往后的发展中应该注重这一项工作，为促进国内高层住宅建筑的发展做一份贡献。

2高层住宅建筑基础的设计理论

在高层住宅建筑中，上部结构有着非常大的刚度，上部结构、基础、地基三部分组成了一个共同作用的体系。但是在很长的一段时间，由于技术水平的限制以及计算手段的缺乏，在设计计算的过程中，为了计算的方便人为的把这三部分之间的联系分割开，将上部结构和基础结构作为单独的两部分进行设计，也就是只是单纯的把基础结构作为上部结构的一个支撑底座，通过计算求得上部结构在荷载作用下的基础结构固定处的反力，然后把该反力作用于弹性地基的基础上计算基础的内力。这种计算方法虽然比较简单，但是没有将上部结构和基础结构的共同作用考虑在内，忽视了上部结构对基础的约束作用。这要考虑受力问题就会导致两个结果：①没有充分考虑基础实际存在的差异沉降对上部结构引起的次应力，这样在某些部位就会低估了上部结构的内力，计算结果的可靠性就会降低；②基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守。

2.1上部结构的刚度对基础受力状况的影响

假如当上部结构为绝对刚性时，地基发生变形之后，竖向构件只能发生均匀的下沉；如果不考虑竖向构件的抗转动能力，竖向构件的支座就可以看作为基础梁的不动铰支座，亦即基础梁犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，却以基底分布反力为外荷载，产生局部弯曲。相反，如果我们假设上部结构是绝对柔性的话，这样对基础的变形就会丝毫没有约束作用，因此在基础梁产生局部的弯曲的同时还会承受较大的整体弯曲。在这两种情况下的基础梁的内力的分布形式和大小会产生较大的差别。但是通常实际的结构物是在上面的这两种情况之间的，要借助计算分析软件来考虑整体刚度的变化情况。我们在保证地基、基础以及载荷条件等不变的情况下，基础的相对挠曲和应力会随着上部结构刚度的增加而减少，但同时上部结构自身的内力也会增加，也就是说，上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应注意的是上部结构的刚度贡献也并不是无限。

2.2地基条件对基础受力状况的影响

基础结构以及上部结构的受力状况还要取决于地基土分布的均匀性以及可压缩性。当施工区域的地基土不可压缩时，比如地基坐落在岩石层上，基础结构不会产生整体的弯曲，就是局部的弯曲也是很小的；上部结构也就不会因为发生不均匀的沉降而产生次应力。但是在实际施工中遇到的地基土大多是具有压缩性的，而且分布也不均匀，这样一来，基础结构在各个地方弯矩分布就会截然不同。在基础结构与地基的交界处往往会有摩擦的现象。但是有土层的强度有限，产生的摩擦力也非常有限，不会高于土层的抗剪强度。摩擦力的大小还可能会受到孔隙水压力的变化。除此之外，例如基础的相对柔度、土壤的蠕变、外荷载的分布都会对界面条件产生影响。因此，我们应该从完全的光滑到完全粘着的变化来预估摩擦对界面产生的影响。

2.3上部结构与基础和地基共同作用的概念及分析方法

在上文中提到地基、基础结构以及上部结构是一个整体，每一部分工作性质都是这三部分共同作用的结果。因此在分析受力情况时要对其的共同作用进行分析。在连接点以及接触点上满足变形协调的条件下求解整个系统的变形与内力。在共同作用的分析中，基础以及上部结构通常是由板和梁构成，分析时采用的方法有有限单元法、有限差分法以及有限条法等解析方法来对上部结构和基础结构构建刚度矩阵，并且将刚度矩阵与变形协调条件耦合起来。建造地基的时候首先要确定地基的模型，从目前发展的现状来看，地基的模型主要有以下三类：弹塑地基模型、线弹性地基模型以及非线弹性地基模型。然后就是要利用上面提到的三种方法建立地基的刚度矩阵。实际上，现在常用的是用结构力学的方法来建立地基的柔度矩阵，然后再通过对其求逆矩阵，得到刚度矩阵，最后与上部结构和基础的刚度矩阵耦合起来，求出地基的反力和沉降。在共同作用分析中，也可以将上部结构与基础的实际刚度进行共同分析，将施工过程所造成的影响考虑在内，将结构荷载和刚度形成情况先分开考虑再共同分析。

3高层建筑基础设计的要点分析

3.1框架结构基础设计

高层建筑框架结构基础设计过程中，要尽量保持柔性，但是如果是高压缩下的地基，那么基础要增加一定的刚性。如果涉及到桩基的设计，则可通过变刚度布桩的方式，调整、优化桩基或者地基，将沉降现象尽可能去除，从而使得基础或者承台的内力降低，建筑质量得到提高。

3.2墙下条形基础设计

该技术是基础设计的核心。伴随施工技术的不断进步，施工材料逐渐以钢筋混凝土为主，钢筋混凝土具有较好的抗拉性、抗弯性和抗压性，常应用在上部载荷大、地基承载力弱的高层建筑中。墙下条形基础设计要求抗压性、刚性基础和柔性基础较高，抗拉性较弱，所以不适合广泛应用，只能应用在低层建筑中。

3.3桩箱基础设计

桩箱基础是指箱基础、桩基础联合受力的结构，该结构适合较软地基或沉降有特殊要求的高层建筑以及承载力大的建筑。对于桩箱基础结构而言，重点是布桩方案的制定。不同方位，对应的地基土属性有差别，所以，在实际设计桩箱基础时，要选择合适的布桩方法，消除不同方位的作用力，使得底部能够均匀受力。如果发生不均匀受力现象，可在中间位置增大桩间距，以保证均衡受力。

3.4箱（筏）基础设计

箱基础、筏基础一般应用在较高地基基础承载力或者地基承载力不均匀的建筑中，有时具备地下室的高层建筑也应用筏基础。而设计箱基础、筏基础的重难点是基础整体弯曲应力如何降低。在实际的设计中，可通过共同作用方法进行分析设计，使得地基、基础和上部结构之间保持变形协调和力的平衡。

4结语

总之，高层住宅建筑结构设计是比较系统、复杂的工作，而基础设计又在结构设计中占有重要的地位，基础结构设计的效果将直接对高层住宅建筑的安全、质量等产生影响。因此为保证高层住宅建筑基础结构设计的效果，就必须要提高重视程度，明确基础结构设计的特点及要点，使高层住宅建筑的质量得到保证，满足人民群众的生活、工作需要，更好地推动高层住宅建筑事业的发展。

参考文献

[1]梁思欣.城市高层住区公共交往空间设计研究[D].华南理工大学，2013.

[2]张会珍.高层住宅建筑中竖向抗侧力构件的优化设置[D].南昌大学，2012.