高层建筑平板式筏板基础设计计算分析

高层建筑平板式筏板基础设计计算分析

阳晓艳

湖南省道县建筑设计院湖南永州道县425300

摘要：筏板基础的埋置深度较深，整体性与抗震能力都非常强，同时其刚度也较大，所以被普遍应用在高层建筑工程中，但在对高层建筑平板式筏板基础进行设计的过程中，因为设计理念不同，设计人员所采用的设计计算方式中也存在一定不足，会对建筑工程产生一定的不良影响。文章对筏板基础承载力的确定方式以及基础变形量计算等方面进行了分析，并论述了高层建筑平板式筏板基础设计中需要注意的计算问题，以供相关人员参考。

关键词：高层建筑；平板式筏板；基础设计计算；承载力；变形量

进入二十一世纪以来，我国城市化进程不断加快，各个城市都在持续扩大城市规模，为了缓解城市建设用地资源的紧张局面，高层建筑成为当前城市建筑的主流。但高层建筑的竖向荷载非常大，这就导致其倾覆力也相应大幅度增加，对建筑控制方面有非常大的影响。所以，建筑工程设计人员必须加强基础设计工作，充分考虑建筑工程的地质环境、基础结构等各方面因素的影响，从而尽可能满足高层建筑基础设计的实际需要。

1.合理确定筏板基础埋深和承载力

一般情况下，高层建筑会建造地下车库或地下人防工程，以此来节约用地面积，同时从具体使用功能出发来确定地下室的层数和高度，进而确定筏板基础底板的埋设深度。然后结合建筑区域的岩土特性进行基础选型，对天然筏板基础的可能性进行研究。天然筏板基础是一种补偿性基础，在确定地基承载力的过程中，要根据相关标准修正基宽与基深，以此获得地基承载力设计值，同时还应合理分析补偿性基础，并据此确定地基承载力。

从建筑荷载水平分布规律来看，将筏板基础科学划分成多个小单元，其单位面积内所承受的荷载重量与基础纵向挠曲曲线的形状相一致，这就表明建筑四周各点沉降量几乎不受其他点的荷载影响，中部各点沉降量则受到较大影响。如果把基础设计为整片筏板基础，必然会导致在一样的地基承载力的情况下，四周沉降量很小，而中部沉降量则相对较大，基地土变形不均衡[1]。

若地基底层分布较为复杂而造成筏板基础的上部结构荷载也不能均匀分布，将会出现很大的沉降差异，设计人员可考虑利用下面几个措施来解决上述问题。第一个，对于出露土层地质不良，可挖出一些，用强度较低的混凝土进行换填。第二个，可对上部结构荷载进行科学调整，将基地的压力差有效减小。第三个，对筏板基础面积与形状进行合理调整，可布设一定悬臂板来减小基底压力。

2.科学计算筏板基础的变形量

在建筑设计过程中，地基验算通常包含地基承载力验算以及变形量验算两个方面。而对于高层建筑，对地基的变形量验算发挥着决定性的控制作用。从实际水平来看，设计人员目前还无法高精度计算地基变形情况，计算结果常常与具体情况存在较大偏差。如果结算结果过大，很可能会将原本可使用的天然地基换成桩型基础，从而致使基础设计趋于保守，增加建筑工程造价。同时，受多种因素的影响，计算过程中通过各向同性变形体模型所测出的地基变形量常常与综合计算出的地基自由沉降量不一致。

在计算高层建筑的地基变形的过程中，由于基坑挖的较深，从而造成地基回弹变形而发生隆起。在实际施工中，很难测算地基土的回弹再压缩模量，根据大量经验来看，回弹再压缩模量大概是计算变形量的两成，因此真正测得的变形量要比计算结果超出20%。高层建筑基深就很大，导致地基回弹再压缩变形占据总沉降变形的很大比例，一些搞成建筑的地下室能建造超过四层，总荷载可能要小于或等于卸土荷载，在此情况下的地基回弹再压缩变形就完全是地基的沉降变形。从这里可看出，在进行地基沉降变形计算的过程中，不能将地基回弹再压缩变形所带来的沉降量忽略掉，而是要高度重视。

从有关实验可以得知，在实验过程中刚性筏板基础的变形情况以整体沉降变形为主，而挠曲变形相对较小。有限刚度的筏板基础则会有整体沉降变形与挠曲变形一并产生，并且挠曲情况与筏板基础刚度有关。例如矩形筏板基础，在厚度一样的情况下，其刚度会随面积变大而减弱。在设计筏板基础时，设计人员可立足于实际情况，选用独立柱基与板式柱基联合的基础形式，也就是在建筑中部采用筏板基础，而四周采用独立或联合基础，促使筏板面积减少而使其刚度进一步变大，这就会有效降低因沉降变形而出现的挠曲，并有效增强筏板的抗冲切能力[2]。同时，筏板的钢筋应力也会减小，从而相应减小筏板基础内的配筋量。为保证筏板基础各部分变形均匀，可通过变形验算对柱基面积进行合理调整，以充分满足结构需要。

3.筏板基础结构的有效设计

3.1平面尺寸

平板式筏板的筏基不仅要达到一定的荷载力要求，还应达到相应的偏心距。第一点，设计人员应尽可能防止筏基平面形心与高层建筑重心发生重合情况，从而防止出现附加倾覆弯矩。与此同时，设计人员应以筏板外挑长度作为筏基平面形心调整的基准，要注意跳出的长度应在合理范围内，从而为外包防水以及减少筏板盆式差异沉降等方面提供便利。通常情况下，筏板外挑长度应大于筏板厚度，以有效保证角部墙体以及边部墙体的抗冲切能力。

3.2筏板厚度

筏板厚度必须达到一定的抗渗能力，设计人员可在抗冲切强度和抗剪强度的基础上来确定筏板厚度。通常情况下，筏板厚度必须超过40厘米，如果墙柱的轴力较大，就合理增加板厚。特别是对于边缘以及角部的墙体，设计人员应从具体的冲切出发，合理计算筏板厚度。

3.3有效选取地基计算模型

第一点，弹性地基梁。弹性地基梁板模型也叫作温克尔模型，属于最为简单的线弹性模型。该模型的基本假定是地基土边界面上任意一点位置的沉降W（x，y）与这个点承受的压力强度p（x，y）呈正比例关系，而与其余点压力没有关系，该点压力强度的计算公式是：p（x，y）=kW（x，y）。公式中的k代表机床反力系数[3]。温克尔模型一般用在具有很低抗剪强度的六台淤泥质土的基础，或用在地基土塑性区开展相对较大的基础方面。同时，厚度小于基底短边一半的薄压缩层地基，优于压力相对较大，而剪应力较小，因此也可通过温克尔模型进行假定。

第二点，倒扣楼盖；该模型假定地基结构上部具有无限高的刚度，地基反力均匀布置在基底。设计人员在计算内力的过程中无需关注基础整体弯曲带来的影响，只需根据倒楼盖的方式来设计基础，该模型中的计算方法相对简单。

第三点，单向压缩分层总和法之弹性解明德林应力公式。该方法也可叫做分层地基模型，对地基土的压缩特性和地基的有限压缩层深度两方面的影响进行了充分考虑，设计人员可运用弹性力学来计算土体附加应力，同时运用土力学的分层总和法来计算地基的变形情况，从而保证计算结果的准确性和真实性。

第四点，单向压缩分层总和法之弹性解修正*0.5ln（D/Sa）。设计人员根据明德林应力公式计算出的基础沉降与内力常常过大，如果用在基础设计中，有可能会出现很大的误差，所以，设计人员可在运用明德林应力公式进行计算后要及时合理地修正，修正系数是0.5ln（D/Sa）。该系数中的D与Sa分别代表集中力作用点与基准点的距离、与计算点的距离。

3.4综合分析筏板内力

第一点，一般情况下，筏板基础底板较厚，具有较强的空间受力性，无法适用一般的薄板理论，设计人员可选用而为实体单元或中厚板理论等来进行分析，也可模拟成壳元或板元的形式，通过有限元法来合理分析。

第二点，在计算筏板内力的过程中，设计人员应对上部结构的刚度进行重点关注，通常以底部三层高度为选取对象。

第三点，通过有限元法来计算筏板基础内力的过程中，设计人员要先将基础总沉降计算出来，之后在进行地基土基床系数的计算，并充分考虑地基土的不均匀情况，进行合理修正。

3.5验算地基稳定性及整体倾斜程度

高层建筑的荷载重量非常大，并且其质心也相对较高，相对于基础底面不可避免地会出现偏心现象，为有效减少基础倾斜情况的出现，设计人员要尽可能促使筏板平面形心重合于结构竖向荷载重心。同时设计人员还可对倾斜角进行有效限制，以此对倾斜程度和不均匀沉降等情况进行合理控制。

3.6筏板基础构造要求

第一点，筏板受力筋要达到相关标准中要求的0.15%的配筋率，由于筏板厚度较大，设计人员不但要通过计算来明确配筋数量，还应满足构造钢筋的需要。

第二点，筏形边缘应外挑，以悬挑的方式来降低偏心率，同时使基地压力减小。

第三点，悬挑板角位置要布设放射状的附加钢筋等。

第四点，提高筏板基础底板的强度与刚度，并在大跨度柱间布设暗梁或加强板带等设施。

4.结语

总之，高层建筑平板式筏板基础设计计算是建筑设计中至关重要的环节，充分、合理的计算对高层建筑基础设计与建设质量有着十分重要的现实意义。因此，设计人员必须合理确定筏板基础埋深与承载力，科学计算筏板基础的变形量，有效选取筏板基础设计计算模型，综合分析筏板基础内力，充分满足筏板基础的构造要求，从而保证高层建筑平板式筏板基础设计的科学性与合理性。

参考文献：

[1]陈宏兴.高层建筑平板式筏板基础设计探究[J].建筑工程技术与设计,2017(4).

[2]黄利平.高层建筑筏板基础设计分析[J].建筑工程技术与设计,2016(20).

[3]萧伟强.高层建筑筏板基础设计分析[J].建材与装饰,2017(9).