浅析高层建筑结构基础选型和优化设计
关键词：高层建筑,结构选型,结构设计
高层建筑基础工程的重要性，还表现在基础工程在高层建筑的工程造价中占有较大的比重。基础工程所耗费的钢材、水泥用量多，施工难度大，一般情况下基础工程造价占土建工程总造价的20%左右，工期占土建工程的20-30%，当地质条件复杂时，其造价和工期所占的比重还会增加。因此，选择合理的基础形式与计算方法，是保证建筑结构安全，降低工程造价的一个有效措施。
高层建筑基础的重要性，还表现在基础形式的多样性和影响因素的复杂性。在一些地质条件差的地区，基础的设计与施工涉及面广，它不仅与上部结构和基础本身有关，还与地基土的性质、水文条件、周围环境等因素相关。基础工程在雨季施工时，也会给施工增加很多困难，还会造成一些局部的返工，土建工程拖延工期往往就和基础工程进度有关。因此，选择合理的基础形式对缩短施工工期也是具有重要意义的。
1 高层建筑基础选型时应考虑的因素
高层建筑基础设计比一般建筑基础要更复杂，总的来说，它具有荷载大、埋置深及要求严的特点，在选择基础型式时与建筑物的使用性质、上部结构类型、地质情况、抗震性能、对周围建筑物的影响及施工条件等有密切的关系。在一般情况下，在基础选型与设计时应考虑以下因素:
1.1 当上部结构为框架结构、无地下室、地基较好、荷载较小、柱网分布较均匀时，可采用柱下独立基础。在抗震设防区，其纵横方向应设连系梁，连系梁可按柱垂直荷载的10%引起的拉力和压力分别验算。
1.2 当上部结构为框架或剪力墙结构、无地下室、地基较差、荷载较大时，为了增加基础的整体性，减少不均匀沉降，可选用十字交又钢筋砼条形基础或桩基，如仍不能满足要求，又不采用桩基或其他人工地基时，可以选用筏基。
1.3 当上部结构为框架或剪力墙结构、有地下室、上部结构对不均匀沉降限制较严、防水要求较高时，可选用箱基。
1.4 当上部结构为框一剪结构、无地下室、地基条件较好时，可采用十字交叉钢筋砼条形基础或筏基。
1.5 当上部结构为框一剪结构、有地下室、无特殊防水要求、柱网、荷载及开间分布比较均匀、地基较好时，可选用十字交叉刚性墙基础。
1.6 筏基上柱荷载较小或中等、柱距较小且等距的情况下宜采用无梁筏板基础，当柱荷载相差大且柱距又较大时，宜采用梁板式筏基。
1.7 当地基较差或很差时，采取上述各类型基础仍不能满足设计时，可选用桩基或其他有效的人工地基。
1.8 高层建筑如遇下列情况，与深基础或其它人工地基相比较经济，且施工条件又可能时，可采用桩基。
1.81 地基软弱，作为天然地基，其承载力或沉降量不能满足现行规范要求时。
1.82 相邻建筑物之间相互影响，地基将形成过大的不均匀沉降时。
1.83 对沉降有特殊要求时。
1.84 限于现场既有建筑不允许开挖，又无其他施工手段时。
1.85 土层变化较大、厚度不均匀或下卧基岩面起伏相差较大而将引起过大的不均匀沉降时。
1.86 采用深埋天然地基，在经济上、施工条件上进行比较又不经济时。
2 对高层建筑基础设计方法的简要评述
目前，最理想的分析方法是上部结构与地基、基础共同作用的分析方法，这种方法中地基、基础、上部结构之间同时满足接触点的静力平衡以及接触点的变形协调两个条件，即将上部结构、基础和地基三者看成是一个彼此协调的整体。这种从整体上进行相互作用的分析方法难度较大，计算量庞大，对计算机的性能及存储量要求较高，只在较复杂或大型基础设计时，按目前可行的方法考虑地基基础上部结构的相互作用。然而，这种考虑上部结构与地基基础共同作用的分析方法也不是完美无缺的。它同样需要采用种种假定，也不能避免各种地基模型的固有误差;并且上部结构的刚度形成存在滞后，因为上部结构的刚度在建造过程中是逐层形成的，在考虑上部结构边界刚度对基础的影响时，这一滞后过程能否被真实模拟也会对分析结果的准确性产生影响。
共同作用分析方法的进步之处仅在于它考虑了上部结构的刚度而已。
目前，对于一般基础的设计，采用的仍然基于经典结构力学和弹性力学的常规设计方法。这种方法简便快捷，对于单层排架结构一类的上部柔性结构以及地基较好的独立基础，能够得到较满意的结果;对于高层剪力墙结构下箱形基础置于一般土质天然地基这种情况，简化计算结果也能满足要求。但是，对于钢筋混凝土框架这类对地基沉降较敏感的结构，计算结果与实际不同;对于软弱地基上的条形基础，按这种方法计算与实际差别也较大。
3 对高层建筑基础设计的建议
3.1 对高层框架结构基础设计的建议
对于高层框架结构，随着层数的增加，作用在基础上的柱荷载也将增大。在竖向荷载作用下，基础产生碟形沉降，由于上部结构具有一定刚度，边柱沉降小，与基础紧密接触而加载;内柱沉降大，受到拉伸而卸载。各楼层柱尤其是底层柱内力重分配的结果，势必将引起上部结构和基础内力的变化。这一现象只有在共同作用分析中才能被适当考虑。在高层框架结构基础设计时，基础宜柔不宜刚;若地基土为高压缩性，则基础宜刚;当采用桩基时，可考虑采用变刚度布桩的方式(如改变基础中部桩径或桩长、加密中部布桩)，以调整地基或桩基的竖向支承刚度，使差异沉降减到最小，从而减小基础或承台的内力。
3.2 对高层建筑箱(筏)基础设计的建议
对于高层建筑箱(筏)基础，在竖向力作用下基础弯曲，外力由上部结构和基础共同分担，二者按刚度进行分配。
(式中，EB、Eg、JB、Jg分别为上部结构和基础的弹性模量以及上部结构和基础的惯性矩)。
由上式可以看出，上部结构刚度EBJB与基础刚度EgJg的相对大小会对上部结构及基础的内力产生较大影响。在上部结构刚度与地基条件不变的情况下，基础内力随其刚度增大而增大，相对挠曲随之减小，由此使得上部结构中的次应力也随之减小。为了分担上部结构的力矩，尤其当上部结构是柔性结构时，有时故意把板做厚，增加基础刚度，利用的就是此原理。
高层建筑箱(筏)基础设计时，考虑上部结构参与工作有利于降低箱基的整体弯曲应力。若上部结构为框架结构，箱基底板配筋应力采用规范中的方法进行计算与实际存在一定的差别，其值偏小，说明按常规设计方法会造成材料强度的浪费。建议采用共同工作整体分析进行计算，这样算得的整体弯曲箱基底板钢筋应力才比较符合实际;另外，共同作用使得上部结构下面几层边柱(墙)出现较大内力，采用常规设计方法时应提高边柱(边墙)的内力。
3.3 对高层建筑桩箱(筏)基础设计的建议
对于高层建筑桩箱(筏)基础，共同作用分析结果表明:由于桩的存在，不但使得箱(筏)基整体内力明显下降，而且底板的基底土反力也会大大减小，箱(筏)基的沉降也明显减小。一般情况下，上部荷载满布，常规设计桩顶反力分布通常是角桩反力最大，边桩次之，内部桩最小。另外，共同作用也会使得上部结构的下面几层边柱(墙)产生较大的次应力。高层建筑桩箱(筏)基础设计时，可采用变刚度布桩的方式，调整桩基的竖向支承刚度，从而调整桩顶反力分布;若考虑利用桩间土分担上部荷载，充分发挥箱(筏)底桩间土的承载力，可适当增加基础中部桩的间距;另外，若上部结构为剪力墙，则桩宜沿剪力墙轴线布置，这样与满堂布桩相比可以大大减小底板的厚度。
4 结语
4.1 高层建筑基础选型要考虑上部结构特性、持力层的情况、所穿越土层的情况、周围环境因素，采用桩基础时还要考虑桩的尺寸限制，以及最终起决定因素的性价比和工期等诸多因素。
4.2 用常规设计方法简化计算时有其适用范围，对地基沉降较敏感的结构以及对于软弱地基上的条形基础计算结果与实际不同，设计时当重视;另外，共同作用分析方法虽有其优越性，但也不是完美无缺。
4.3 在进行高层建筑基础设计时，最好采用共同作用分析方法进行计算。往往共同作用使得上部结构下面几层杆件的内力受到较大影响，其变化规律一般都呈由外向里,由下往上逐渐衰减，即下面几层边柱(墙)处会出现较大内力，采用常规设计方法时应提高边柱(墙)的安全储备。