【摘要】为了使结构设计人员能更好把握高层建筑基础的选型和平板式筏板基础的结构设计，以崇左市江州区地税局1#高层住宅楼筏板基础为例着重阐述运用上部结构、基础和地基共同作用的分析原理，对筏板基础内力进行分析以及筏板基础的地基承载力验算、筏板基础厚度的确定、筏板基础埋深确定。
【关键词】高层建筑；基础选型；筏板基础结构设计
1 慨述
根据高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2002要求，为了满足结构的抗倾覆稳定要求，高层建筑宜设地下室，且要求基础埋深对天然地基取房屋高度的1/15，对桩基取房屋高度的1/18。高层建筑采用何种基础型式，与地基土类别及土层分布情况、上部结构荷载大小、地基承载力等有密切相关。高层建筑地下室通常作为地下停车库及设备用房，目前大多高层建筑基础都采用筏板基础；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。本文以崇左市江州区地税局1#高层住宅楼的基础设计为例，拟对高层建筑基础的选型和筏板基础的设计方法进行介绍。
2 基础选型
2.1 工程地质概况
崇左市江州区地税局1#高层住宅楼位于崇左市江滨路，该工程为住宅建筑，属二类高层建筑，主体结构地上为一梯四户塔式建筑18层(1层为架空层，2-18层为单元住宅，层高均为3.1m)，地下负1层(层高为3.5m)为设备用房及部分摩托车、单车停放用房(非人防地下室)，建筑总高为55.8m，设计使用年限为50 年,工程总建筑面积为10841m2,东西长23.30 m,南北长31.60 m。结构体系为剪力墙结构，抗震设防烈度为六度,设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。内隔墙为190厚多孔页岩烧结砖(业主不同意使用轻质加气砼自保温节能砖)。
根据岩土工程勘察报告，场地土层分布自上而下分别为：①人工填土层，厚度0.4m~3.5m；②灰岩层，厚度4m~10.8m，岩体破碎，岩芯多呈碎块(片)状，且多夹有粘土，风化程度强烈，岩石坚硬程度等级为较硬岩，岩体完整程度为破碎，属中等偏低压缩性土层；③灰岩层，钻入厚度7.7m未钻穿，岩芯多呈柱状及短柱状，风化程度中等至微风化，岩石坚硬程度等级为较硬岩，岩体完整程度为较完整~完整，岩体基本质量等级为Ⅱ~Ⅲ级。本层分布较为稳定，厚度巨大。钻探期间各孔未遇地下水。
2.2 基础结构方案选择
高层建筑常用的基础结构型式有桩基础+防水板，筏板基础，桩筏基础。本工程岩土工程勘察报告中建议基础型式采用筏板基础，本工程基础占地面积824m2，上部结构总荷载重量为196509kN，即要求地基平均承载力为260kPa，地基承载力由岩土工程勘察报告提供，地基承载力特征值fa= 400kPa，采用筏板基础，能满足地基承载力要求，由于本工程为纯剪力墙结构，且剪力墙的墙肢布置不很规则，不能形成较规整的梁板式筏板基础，因此采用平板式筏板基础。由于高层建筑基础埋深的要求，筏板基础埋深至少从筏板基础板底至室外标高为3.7m，从地层剖面及岩土性质分析，并考虑地下室的使用高度要求，本工程地下室平板式筏板基础厚为900mm，开挖后筏板板底标高为-4.400m(即从室外标高至筏板板底高度为4.1m)，并以灰岩层②作为持力层。地基的验算包括地基承载力和变形两个方面，对于高层建筑，变形往往起着决定性的控制作用。
3 筏板基础的结构设计
3.1 筏板基础的平面布置
尽量使上部结构竖向永久荷载的重心与筏板基础平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应根据地基条件、建筑物场地条件、柱(墙柱)距及柱(墙柱)荷载大小等因素综合确定，尽量减少偏心，偏心距要求e≤0.1W/A。本工程调整筏板外挑尺寸为0.8m，偏心距e=0.071W/A，能满足规范要求。
3.2 筏板基础的地基承载力验算
由于地基比较均匀，筏板刚度大(由冲切验算确定该工程筏板厚为900mm，)近似为刚性板，基底反力呈直线分布，在竖向荷载作用下，基础底面压应力标准值按下式计算：
Ｐkmax=［(Fk+Gk)/A］+［Mk/W］
Ｐvkmin=［(Fk+Gk)/A］-［Mk/W］
由中国建筑科研院PKPM糸列JCCAD计算结果显示，
在竖向荷载作用下Ｐkmax=277KPa，Ｐkmin=243 KPa，基础底面平均压应力标准值Ｐk=260KPa。
在风荷载或地震荷载组合下Ｐkmax=284KPa，Ｐkmin=218 KPa。
经修正后的地基承载力特征值fa=489 KPa，faE=635 KPa。
在竖向荷载作用下，基础底面应力按下式控制：
Ｐk≤fa
Ｐkmax≤1.2fa
风荷载或地震荷载组合下，基础底面应力按下式控制：
Ｐmax≤1.2faE
Ｐmin≥0
本工程筏板基础的地基承载力能满足要求。
3.3 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，要求满足τmax=Fl/μm*h0+αs*Munb* CAB/Is，τmax≤0.7(0.4+1.2/βs)βhp*ft，同时要满足抗渗要求，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。本工程地上18层，经PKPM糸列JCCAD筏板冲剪计算结果显示，筏板厚度为900mm，能满足抗冲切和抗剪强度要求。
3.4 筏板基础的内力分析
随着计算软件的日益成熟，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中得到广泛运用；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。该分析法按弹性地基板考虑，地基模型一般采用文克尔地基、弹性半空间地基和压缩层地基等地基模型，常用数值分析方法为有限元法、有限差分法等，其中有限元法较为常用。
根据共同作用的分析原理，由节点平衡条件有如下方程：
( [ K ]ST + [ K ]F +[ K ]S) {S} = { F }其中：[ K ]ST ── 凝聚到基础顶面的上部结构刚度矩阵
[ K ]F ── 基础结构的刚度矩阵
[ K ]S ── 地基土凝聚到基础底面的刚度矩阵
{S}──基础底面节点沉降位移向量
{ F }──作用在基础顶面的荷载向量
求解上述方程，得到节点位移，由节点位移求得筏板基础基底反力和内力。根据计算结果，按有关规范可验算筏板基础的地基承载力、变形及计算构件的配筋。
运用上述设计原理，计算筏板基础的内力及验算地基变形，关键在于选择合理的地基基床系数。地基基床系数的物理意义是，使地基发生单位位移时，需施加于地基上的应力。地基基床系数与基底下各土层的类别、基底下各土层分布厚度及压缩性(压缩模量)、基础面积的大小和形状、基础的埋置深度，基底压力的大小等因素有关。
本工程筏板基础的内力分析，经输入地质资料所要求的参数，并采用PKPM糸列JCCAD桩筏有限元进行内力分析，并将筏板基础划分为1m×1m的板单元，在准永久值组合下，总面荷载为248.32 kN/m2，算得筏板基础底面地基土变形沉降量平均值为8.75mm，由此反算求得地基基床系数为28382kN/m。因本工程未遇地下水，因此未作抗浮设计。
计算结果：本工程筏板配筋为双层双向Φ22@200拉通，局部个别支座内力较大处加密至Φ22@100 。地基沉降变形较为均匀，最小值为7.0mm，最大值为12mm。能满足地基设计规范对沉降量和沉降差要求。
3.5 筏板基础的配筋构造
筏板板筋宜双向双层配置，局部个别支座内力较大处钢筋间距可局部加密，配筋率≥0.2%。
4 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, 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和刚度的要求。而安全可靠、经济合理才是基础选型的标准。
参考文献:
[1]中华人民共和国建设部.GB 50007-2002建筑地基基础设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]中国建筑科学研究院.JGJ 3―2002高层建筑混凝土结构技术规程.北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]中华人民共和国建设部.JGJ 6―99 高层建筑箱形与筏形基础技术规程.北京:中国建筑工业出版社,1999.
[4]宰金珉宰金璋 高层建筑基础分析与设计 北京:中国建筑工业出版社,1993.
[5]中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所 PKPM基础设计软件功能详解北京:中国建筑工业出版社,2009