大底盘高层建筑基础设计方法探索

王晓琳 东 芳

(1.北京市弘都城市规划建筑设计院，北京 100045;2.中国核电工程有限公司，北京 100840)

1 概述

大底盘高层结构的主楼与裙房的层数相差较多，但由于建筑功能要求，一般不设置沉降缝。此类工程建筑形体复杂，高低错落，上部荷载分布不均，基底压力差异明显。主楼的基底压力较大，而裙房与纯地下室部分的地基往往处于补偿，甚至超补偿状态。

大底盘高层结构基础的受力状态也很复杂。地基的沉降差异使结构产生不利的次生应力，造成结构安全度降低，因此应采取措施减小差异沉降，并合理估算差异沉降和由此产生的基础内力，作为基础设计的依据。

2 减小差异沉降的措施

2.1 设置沉降后浇带

大底盘高层建筑在主楼与裙房间设沉降缝时会造成主楼的嵌固作用削弱，因此不宜设置。沉降后浇带由于只是施工期间留置，对结构整体性不造成影响。沉降后浇带一般设置在主楼与裙房交界处，裙房一侧的第一跨或第二跨，由裙房基础至屋顶每层设置。在结构封顶后，沉降观测结果趋于稳定，后期沉降满足设计要求时，方可对后浇带进行合缝。

2.2 地基基础变刚度的概念设计

1)合理选择基础形式，调整基底压力。通过合理选择主楼与裙房的基础形式，可以调节基底压力，平衡各部分的地基沉降，减少基础的附加内力。主楼基础一般采用刚度较大的筏型或箱型基础，可以利用外挑方式扩大基础面积，降低基底压力。裙房部分的基础形式选择应以充分利用地基承载力为原则，尽量采用独立柱基或条基加抗水板的形式。

2)加强地基刚度，降低差异沉降。传统思路解决差异沉降的方法是加强基础的刚度，以抵抗差异沉降产生的附加内力。这种做法会造成结构造价增加，没有解决沉降差异的根本问题。当主楼层数较高时，这种做法难以实现。采用CFG桩复合地基和桩基础可以提高主楼的地基承载力和刚度。对于上部荷载分布不均匀的情况，可以调节桩的疏密以及桩长，使上部荷载与地基刚度相协调。通过对地基的变刚度处理，降低地基的沉降差异，减小基础的附加内力。

3 基于规范沉降分析方法的基础设计

3.1 分层总和法沉降计算

根据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》，当高层建筑的基础埋置较深，考虑地基土回弹再压缩和正常固结压缩的实际加载变形过程，按下式计算最终沉降量:

采用分层总和法计算地基沉降存在以下问题:地基沉降是基底附加压力作用下得到的，无法计算基底附加压力为零或负值时的地基变形;地基沉降未考虑基础及上部结构刚度的影响，沉降计算结果与实测值差别较大;不同荷载分布产生的地基沉降量是通过角点法叠加产生的，当基础面积较大，建筑体型非常复杂时，难以计算各点沉降量。分层总和法适用于荷载分布比较规则的基础的沉降分析，其计算过程简单，计算参数多数是通过查表得到的。

3.2 高层住宅与地下车库连体结构基础设计

高层住宅地下室一侧或两侧与多跨车库相连形成大底盘结构。高层住宅一般采用剪力墙结构体系，上部结构刚度较大，地下车库一般为框架结构。主楼范围的基底压力明显集中，而地下车库的基底压力较小。根据以上特点，可以清晰的判断地基的差异沉降出现在车库与主楼的交界处。其他部分可不考虑地基附加沉降对基础的影响。主楼的基底压力相对均匀，与车库的结构刚度差距明显，比较适合采用分层总和法计算地基沉降。地基的沉降差主要是由主楼的地基沉降产生的。

3.3 实例

某高层住宅项目，主楼为12层剪力墙结构，与地下车库连为整体。车库地下2层，上有2.2 m覆土。基底持力层为新近沉积的粉质粘土，地基承载力100 kPa。由于地基承载力不高，车库基础采用了梁板式筏型基础，地基为天然地基。主楼采用筏板基础，地基为CFG桩复合地基。为减小沉降差异，在车库与住宅交界处设置沉降后浇带。本工程车库为两层框架，基础梁按跨的1/6控制梁高，根据规范的要求，后浇带可设置在车库与主楼相邻的第二跨。依据分层总和法进行沉降计算，主楼在与车库交界处地基沉降最终值为23 mm。本工程主楼施工期间的沉降取最终沉降量的30%，合缝后的沉降为16 mm，后浇带两侧的差异沉降为16 mm。后浇带所在跨的跨度为8 m，局部倾斜为0.002，满足规范要求。

4 基于地基与基础的协同分析的基础设计

4.1 协同分析的必要性

由多栋高层和低层建筑组成大底盘结构高层建筑上部荷载分布不均匀，主楼和裙房的结构刚度差别较大，在进行基础分析时，应考虑地基、基础以及上部结构的共同作用。考虑地基与基础协调作用，所得的沉降分布比一般自由沉降分析接近实际，而准确预测建筑物的沉降值将是影响其地基方案可行性和建筑质量安全的重要条件。通过协调分析了解不同基础刚度对沉降调整能力的差异，有利于合理选择基础方案。

4.2 SFIA 方法

SFIA是北京市勘察设计研究院编制的“高层建筑地基与基础协调分析软件”。该方法是根据建筑物基础的刚度情况，采用交叉梁的假设以及差分法，在纵横交叉梁交汇处的计算节点上建立起基础的位移方程，根据各节点的地层情况，并采用土的单向压剪非线性应力应变本构关系，按照布辛斯克应力假设和分层总和法建立起地基柔度矩阵，从而列出地基沉降与基底反力的关系式。按照地基与基础共同作用的原理，假设在各节点处基础与地基的变形是协调一致的，由此获得了以基底反力为未知数的协调方程，并求解出基底反力，然后再计算出各节点的沉降及基础内力。

4.3 实例

某办公楼项目地上由A区、B区办公楼和C区报告厅组成，各区之间地上由抗震缝分开。办公楼为框架剪力墙结构，层数分别为9层和12层，报告厅为3层框架结构。地下室4层，三区连成整体，下沉广场和汽车坡道为纯地下部分。基础形式为整体式梁板筏基，A区和B区采用了CFG桩复合地基，C区和纯地下室采用天然地基。本工程基础埋置较深，低层裙房及纯地下车库的基础处于超补偿状态，造成与其相邻办公楼结构部分基础的侧限约束条件被永久性削弱，对高层办公楼地基承载力的深度修正带来不利影响，也使本工程地基基础共同作用条件趋于复杂。为了分析地基差异沉降，优化基础设计方案，本工程采用了SFIA方法进行地基与基础协调作用计算分析。本工程A区、B区办公楼采用CFG桩复合地基方案，C区和纯地下车库采用天然地基方案。建筑物总沉降量不大，建筑物长期最大沉降量小于5.0 cm，建筑物整体倾斜均小于0.002，满足规范要求。

5 结语

大底盘高层建筑地基沉降不均匀，使结构中产生次生应力，进而影响结构的安全度。在基础设计中，应尽量采用设置沉降后浇带，调整地基刚度等构造措施减小差异沉降。合理的计算地基沉降是分析基础内力的前提，本文结合工程实例，分别提出了用于高层住宅与车库连体结构的基于规范沉降分析的基础设计方法，用于复杂高层公共建筑的基于地基基础协调分析的基础设计方法，从而提高了大底盘高层建筑基础设计的可操作性和准确性。

［1］刘金砺.高层建筑地基基础概念设计的思考［J］.土木工程学报，2006(3):21-23.

［2］DBJ 11-501-2009，北京地区建筑地基基础勘察设计规范［S］.

［3］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］.