高层建筑基础设计(简化版).ppt

高层建筑基础设计 浙江省建筑设计研究院 杨 学 林,目 录 一、高层基础的荷载 二、高层基础选型与布置 三、基础计算 1、承载力计算 2、沉降计算 3、筏板计算 四、几点体会,一、高层基础的荷载,竖向荷载包括： 1、自重荷载：梁、柱、板、 粉砂面层、 填充墙、门窗 幕墙，等等 2、楼面活荷载 3、屋面活载、积灰荷载、 雪荷载等 4、吊车荷载（厂房） 5、施工荷载（临时） 水平荷载： 1、风荷载、风振效应 2、地震荷载（作用） 其它荷载（作用）： 1、混凝土收缩、钢材焊接 2、温度变化 3、地基变形,人防地下室人防荷载,其它荷载（作用）： 1、混凝土收缩 2、温度变化 3、地基变形（桩基沉降）,静止土压力,1、竖向总荷载估算： 高层建筑荷重标准值： 框架结构：1.21.4 t/m2 框架-剪力墙、框架-核心筒：1.41.6 t/m2 剪力墙、筒中筒：1.61.8 t/m2,工程桩数量判断： 桩数单桩承载力特征值 /上部结构标准荷重 1.0 不安全 =1.01.10 正常（考虑风、地震等水平作用） =1.101.20 可优化 1.30 布桩太多,2、水平荷载与竖向荷载的比列 浙江凯喜雅大厦（H=100m）： G + L = 649068 kN 水平风荷载： F风 = 4095 kN (0.63) 水平地震： 6度： F = 3401 kN (0.523) 7度： F = 1.05 8度： F = 2.10,浙江新世界财富中心（北塔楼，58层，H=246m）： G + L = 2056648 kN 水平风荷载： F风 = 18840 kN (0.916) 水平地震： 6度： F = 10848 kN (0.527) 7度： F = 1.055 8度： F = 2.11,温州鹿城广场（75层，H=350m）： G + L = 4418409 kN 水平风荷载： F风 = 58609 kN (1.33) 水平地震： 6度： F = 22568 kN (0.51) 7度： F = 1.02 8度： F = 2.04,100年一遇的基本风压： 杭州：0.50 kN/m2 宁波：0.60 kN/m2 温州：0.70 kN/m2,350m以内高层： F风 /（G+L）= 0.501.35 杭、宁、温：水平地震力更小 （1.0） 一般无需验算：桩基水平承载力,3、楼面活荷载与自重荷载的比列 一般高层：活载 15 200m以上高层：活载 10 浙江凯喜雅大厦（H=100m）： G = 564558 kN L = 84510 kN G + L = 649068 kN L/(G+L) 13,浙江新世界财富中心（北塔楼，58层，H=246m）： G = 1921012 kN L = 135636 kN G + L = 2056648 kN L/(G+L) 6.6 温州鹿城广场（75层，H=350m） G = 4131599 kN L = 286810 kN G + L = 4418409 kN L/(G+L) 6.5 ,国家建筑地基规范（2002）： 1、桩数、基底面积： 作用S 采用荷载效应的标准组合 抗力R 特征值（单桩或地基承载力特征值） 2、地基变形、桩基沉降 作用 采用荷载效应的准永久组合 限值 规范规定的变形允许值 3、基础截面配筋、桩身强度 作用 采用荷载效应的基本组合（分项系数） 抗力 材料强度取设计值 4、基础裂缝宽度 作用 采用荷载效应的标准组合 限值 0.2、0.3mm, 基本组合：承载能力极限状态计算时，永久作用 和可变作用的组合。,（永久荷载控制）, 标准组合：正常使用极限状态计算时，采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。,（分项系数均取1.0), 准永久组合：正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。,（分项系数均取1.0),案例： 杭州某高层办公楼，地上25层，高度99.6m,框架-剪力墙体系，地下二层。基础为钻孔灌注桩，桩径800，持力层为中风化凝灰岩，有效桩长约40m。 施工图审查发现桩数偏多较多。 原因：传至桩基的荷载采用设计值（基本组合），单桩承载力（抗力）采用特征值，荷载和抗力取值不匹配，导致布桩数量过多造成浪费。,二、高层基础选型与布置, 天然地基浅基础 柱下独立基础 柱下条形基础 墙下条形基础 片筏基础 岩石锚杆基础（抗滑、抗浮） 深基础 桩基础 地下连续墙 沉井基础,某二层地下上浮近1.0m 岩石锚杆施工不当，抗拔 承载力不足而被拔出,抗浮锚杆的应用,1、桩基础 非挤土桩： 钻孔灌注桩 人工挖孔桩 挤土桩： 钢管桩（上海金茂、上海环球、石油双塔） 预应力管桩（可节约造价3050） 预应力空心方桩 预制方桩 沉管灌注桩,浙江新世界财富中心 钻孔灌注桩： 800，L=41.5m 持力层：6-2圆砾层 进入6m， 桩端注浆 Ra=4700 kN,桩长、持力层可不一致 桩型也可不同,钻孔桩1100 承台板:5.6 m Ra=12500 kN,人工挖孔桩： 端承桩、端承型桩 扩底效果好 扩底施工方便 安全问题与桩身质量 金华地区：不用 圆砾、卵石层：注意,910钢管桩,马来西亚吉隆坡石油大厦双塔 地上88层，H=379m，桅杆顶452m, 地下3层 98年建成(西尔斯大厦443m) 钢筋混凝土结构 (84层以上为钢结构) (抗风控制, 满足舒适度),基础: 钢管桩910x22.2，L84 m 承台板:4.0 m,2、地下连续墙 刚度大、防水好：市中心深基坑 充分利用红线内场地：二墙合一 逆作法：西湖凯悦、丝绸城、地铁武林门站等 竖向承载力：带支腿、墙底注浆,泥砂分离器,围护墙受力计算 围护墙兼作地下室外墙或作为结构外墙的一部分时，应分施工阶段和使用阶段两种情况分别进行受力计算，按最不利工况设计。 1施工阶段受力计算 鉴于目前的三维模型尚不完善，一般采用竖向弹性地基梁的地基基床系数法计算围护墙的内力和变形，计算模型见图4。 墙后土压力取值，在开挖面以上可取主动土压力，考虑到采用逆作法施工的墙体变形较小，可对主动土压力进行适当调整或取静止土压力，在开挖面以下取矩形分布；墙前（坑内侧）土体被动抗力以水平弹簧模拟。 支撑梁板的作用以水平弹性支座代替。当采用全逆作法时，由于地下室各楼层的平面内刚度非常大，可近似按不动支撑点考虑；当采用敞开式逆作法时，可取框格式水平支撑体系的等效刚度，等效刚度的取值可按文献5的方法计算。 逆作法施工时，坑内也是采取分步开挖土方、分层浇注梁板支撑体系的，因此还必须考虑这一动态施工因素对受力计算的影响5。,2使用阶段受力计算 使用阶段围护墙的计算模型与施工阶段相似，仅有以下不同： 墙外侧土压力逐渐恢复到静止土压力状态； 地下各层楼板及基础底板均已浇注完毕，楼板、底板位置均可按不动支点考虑； 有混凝土内衬墙时，应根据围护墙与内衬墙的结合方式不同，采用不同的计算方法。当围护墙与内衬墙结合成整体，结合面能够传递剪力时（如图5所示），受力计算时可把二者视为整体墙，设置内衬墙后的内力增量由整体墙承担；当围护墙与内衬墙之间设置防水夹层，结合面不能传递剪力时，设置内衬墙后的内力增量由围护墙和内衬墙分别承担，可近似按墙体刚度比例分配计算。,3、场地要求和基础有效埋置深度 场地要求：, 选择有利地段 对于危险地段，强调“严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑”。, 避让主断裂带,最小避让距离:, 液化判别和处理: 6度乙类建筑：按照7度要求判别处理,映秀镇处于龙门 山中央主断裂带之 上，是此次地震的震 中位置，其地震影响 烈度高达11度，区域范围内的房屋建筑遭 受毁灭性破坏。,震后的北川县城，巨大的山体滑坡冲毁了大片建筑,汶川地震，山体滑坡形成唐 家山堰塞湖,有效埋置深度的要求： 建筑地基规范第5.1.3条： 高层建筑筏形和箱形基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/181/20。位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满足抗滑要求。 高规第12.1.7条： 天然地基、复合地基：1/15 桩基础： 1/18 岩石地基：有效抗滑移措施，可放松,建筑地基规范第8.4.15条： 当高层建筑与相连的裙房之间设置沉降缝时，高层建筑的基础埋深应大于裙房基础的埋深至少2m。地面以下沉降缝的缝隙应用粗砂填实。 高规第4.4.7条： 高层建筑宜设地下室。,根据上海市政府公布的调查结果，房屋倾倒的主要原因是紧贴7号楼北侧在短期内堆土过高，最高处达10米左右。与此同时，紧临大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度达4.6米。大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。,地基发生整 体性滑动,4、桩基础底板形式： 梁板式：H100m，施工复杂，周期较长 较经济 平板 + 承台式: 平板式：H150m，施工方便，周期短 配筋量大，造价相对较高 为方便施工缩短工期，H100m 的高层有时也采用。,梁板式,平板式,5、主楼基础与裙房基础的关系 沉降缝：解决不均匀沉降问题 主、裙楼均有地下室时，不宜设缝。 设缝带来的问题：防水处理复杂、易老化、高层 埋深不宜保证 措施：采用桩基、控制沉降差 加强连接处的基础刚度 设置施工后浇带，等等 防震缝：解决不规则结构的抗震问题 伸缩缝：解决混凝土收缩、温度应力问题,伸缩缝设置： 混凝土规范要求：对现浇钢筋混凝土地下 室外墙、挡土墙结构： 室内或土中： 30 m 露 天 环 境： 20 m,实际工程中，地下室结构很少按30m设置伸缩缝。 高地下水位、渗透系数大的粉砂土地基中，地下室结构设置永久缝应慎重。 多于三层的地下室宜不设永久缝。,三、基础计算 1、承载力计算,偏心竖向力作用下,水平力作用下, 确定桩数,轴心竖向力作用下,偏心竖向力作用下,水平力作用下,考虑地震的内力组合：,偏心竖向力作用下,水平力作用下,轴心竖向力作用下,轴心竖向力作用下,桩身强度验算：,单桩竖向抗压静载荷试验,单桩竖向承载力特征值：,按地勘报告估算：,后注浆提高：3040（杭州）,按桩基规范估算： 单桩水平静载荷试验： 如杭州钱江新城某800钻孔灌注桩，持力层为圆砾层，桩端后注浆，Ra=4500 kN 按桩基规范估算得： Rha=250 kN (5.56),单桩水平承载力特征值：,100年一遇的基本风压： 杭州：0.50 kN/m2 宁波：0.60 kN/m2 温州：0.70 kN/m2,350m以内高层： =F风 /（G+L）= 0.501.35 杭、宁、温：水平地震力更小 （1.0） 考虑承台侧面侧阻、地下室外墙外侧约束等 一般无需验算：桩基水平承载力, 桩位布置原则： 桩基形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。偏心距e宜符合下式要求： e0.1W/A （= B/60 ，矩形平面） 式中： W与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩； A基础底面积。 高层核心筒：尽可能布在核心筒冲切范围内 上海金茂：筏板厚度4000 mm 上海环球：4500 mm 温州鹿城：5600 mm, 抗拔桩配筋的问题： 采用小直径桩，1000 = 2500 （抗拔承载力） 1000 = 4500 （混凝土方量） 配筋： 600钻孔桩，抗拔特征值=1000 kN 1、按承载力计算配筋： As=4160 mm2 2、按抗裂计算配筋 ： As=8200 mm2 （Wmax0.2mm） 3、若考虑抗腐，按钢桩每年0.03mm，50年为 1.5mm，如采用25钢筋，50年后有效直径 为22，即配筋5400mm2可满足抗拔承载力 要求。,2、桩基沉降验算 主要方法： 实体深基础方法（地基规范） Mindlin应力公式法 等效作用实体深基础法（桩基规范）, 实体深基础方法（地基规范）,计算假定： 1、等效作用面位于桩端平面（将桩基承台、桩群与桩间土作为实体深基础） 2、等效作用面积为桩基承台投影面积（不考虑沿桩身的应力扩散）； 3、等效作用附加压力取承台底附加压力 4、等效作用面以下（等代实体深基底以下）的应力分布按弹性半空间Boussinesq解确定, Mindlin应力公式法,结合工程实际应用情况，将桩端、桩侧的荷载分布假定为三种基本模式：,桩的端阻力和侧摩阻力比,等效作用实体深基础法（桩基规范）： 1、按Mindlin解和Boussinesq解分别计算同一虚拟桩基（距径比Sa/d，长径比l/d，桩数n，基础长宽比Lc/Bc）的沉降SM / SB ，将等效系数e SM / SB ，制成表格； 2、计算桩基沉降时，先按传统的Boussinesq实体深基础分层总和法计算得S（ SB ），将其乘以等效沉降系数e和经验系数，得到计算沉降。,沉降计算经验系数： 计算中未考虑的桩端刺入Sp、桩身压缩Se、桩端上涌再刺入Sp、土参数与实际差异等的影响，均需由沉降经验系数反映。,实体深基础方法（地基规范） Smax = 165 mm,实体深基础方法（地基规范） Smax = 165 mm,Mindlin应力公式法 Smax = 108 mm,Mindlin应力公式法 Smax = 108 mm,等效作用实体深基础法桩基规范 Smax = 48.3,3、筏板计算,常用计算模型： 支承于弹簧上的弹性板有限元分析法 倒楼盖模型（上部结构刚度无穷大） 基于Mindlin应力解的单向压缩分层总和法, 支承于弹簧上的弹性板有限元分析法 将筏形承台板进行有限元划分，筏板采用板单元模拟（MINDLIN理论的中厚板），桩作为弹簧考虑，采用有限元法求解弹性支座的位移、反力及板的弯矩。 单桩刚度：按桩基规范公式估算； 按静载荷试验实测Q-s曲线 群桩中的单桩刚度：基于MINDLIN应力解和叠加 原理，考虑群桩效应，求得群桩中 的单桩刚度。, 倒楼盖模型： 假定上部结构刚度无穷大，不考虑筏板的整体弯曲。可能存在不安全因素。 基于Mindlin应力解的单向压缩分层总和法： 假设土与桩为弹性介质，利用Mindlin应力公式求取压缩层的附加应力，利用分层总和法计算单元节点处的沉降并求取柔度矩阵，根据柔度矩阵可求桩土刚度矩阵。,应考虑上部结构刚度： 可采用上部结构刚度凝聚法,不考虑上部结构刚度,考虑上部结构刚度,北塔楼筏板平面,不考虑筏板，北塔楼桩沉降等值线（mm） 锅底沉降差120mm,260,140,北塔楼筏板沉降数值（mm）,考虑筏板和上部刚度，锅底沉降差20mm,考虑上部刚度筏板配筋,不考虑上部刚度筏板配筋,四、几点体会,1、工程问题没有精确解 模型很精确，参数误差很大； 混凝土结构构件承载力公式按塑性推导， 内力采用弹性内力配筋不合理； 北京院筏板实测，应力1/10； 桩-土作用与实际不符，计算沉降与实际 差距太大，据此计算群桩刚度求得的基 础内力不真实。,2、电算、手算相结合 不能过于迷信电算结果， 建议利用手算结果，判断电算结果的可靠性 3、规范条文不一定全都合理 如主、裙楼可采用不同桩型、不同桩长、 不同持力层；桩间距的规定；上下部共同计 算结果不能作为设计的唯一依据，有时邻近 工程经验更重要。,4、软土地基深开挖的不利影响，应重视,汇 报 结 束 敬请批评指正 THANK YOU,