高层建筑结构桩基础设计探讨

秦俊林

摘 要：近些年来，高层建筑在我国得到了快速的发展，但是由于高层建筑具有较高的高度，所以容易受到外界自然因素的影响而产生较强的倾覆力矩，对高层建筑的安全带来很大的威胁。在这种情况下，高层建筑结构对于桩基础的建设标准较高，需要其具有较强的稳定性、较高的承载力以及拥有较好的沉降性能。桩基础是整个高层建筑的核心部分，需要承受巨大的作用力，对于高层建筑的安全和质量有很大的影响，所以需要高度重视桩基础的设计。文章对于高层建筑结构桩基础设计的相关问题进行了分析，对于提高高层建筑的质量和安全具有重要的意义。

关键词：高层建筑；结构；桩基础；设计

前言

桩基础是高层建筑的重要组成部分，桩基础的设计水平直接影响到整个高层建筑的结构安全，所以桩基础要具有良好的稳定性以及沉降性能，在承受巨大荷载的情况下，能够保证整个建筑的稳定性。根据地质条件的不同，高层建筑的高度以及各种因素的限制，桩基础的设计方案也不相同，在软弱地基中，桩基础应用的比较广泛，也是比较古老的基础形式。在进行桩基础设计的过程中，一定要做好施工现场的勘察检测工作，只有在充分的了解各项资料之后，才能够设计出科学合理的方案，为高层建筑的安全性打下坚实的基础。

1 高层建筑结构桩基础的分析

1.1 桩基础设计与工程应用现状

桩基础设计是整个高层建筑结构的基础部分，所以只有在桩基础施工完成后，才能够进行上层建筑的施工，桩基础设计不仅关乎整个工程的施工质量、安全性，对于施工进度还有很大的影响。目前使用比较多的是竖向荷载作用下的桩基础，在竖向荷载的作用下，桩与土之间会相互作用，对于桩基的设计会产生很大的影响。在以往的桩基础工程设计中，试桩和静载试验的结果都无法满足设计的要求标准，设计师在对设计参数进行调整之后，意图通过加密桩的方式来进行调整，这种情况下，静载的试验结果会高于设计标准很多，虽然在安全性方面可以保证，但是经济系数却大大的提高。这种矛盾的现象需要不断的改善，如果超过设计的标准太多就需要重新进行试桩，但是建设的周期也相应的延长，会影响到整个工程的建设进度。如果在静载试验结果出来之后再进行桩基的设计工作，既不利于建设周期，同时也无法满足建设的标准。所以目前急需解决的就是如何缩短静载试验与试桩设计之间的差距，并且对单桩静载试验的结果进行进一步研究，尽量将各项参数预估的更加精确。

1.2 桩基础简化设计分析

由于高层建筑庞大的工程会对基础部分造成巨大的作用，所以基础工程需要能够程序较大的荷载，埋深都较大。而在现阶段，在很多的高层建筑中，都会有人防工程或者是地下停车场等结构需求，所以在进行基础工程施工时，需要耗费大量的材料，并且施工技术比较复杂，耗费的工期较长。一般情况下，能够直接建设在坚硬岩石上的建筑并不多，所以大部分的基础工程都会采用钢筋混凝土片筏式基础、箱形基础以及桩基础。由于桩基础的承载力较大，具有良好的稳定性，并且在沉降差较小的情况能够保持的比较均匀，这些特点都决定了其能够承受较强的水平力以及上拔力，在动荷载方面的性能较好，所以在基础工程中应用的比较广泛。

在高层建筑结构中，上部结构与基础之间会相互产生作用力，从这个问题来看，在传统的计算中存在很多的假定，都可以利用在桩和土之间的作用力上。在传统的设计算法中有一种Winker的假定，这种假定主要是针对地基的反力系数法，其中把土体对桩造成的反力作用简化成单纯的反力系数作用于桩上，这是传统设计算法中针对于桩土作用力问题在理论层面从没有通过的。高层建筑中各个部分之间产生的作用力，应该将桩、土以及结构作为一个整体来进行考虑。通过上述分析可知，如果利用传统的设计算计来解决现实中的这些问题还具有很大的困难。而从目前的现状来看，就分析的手法而定，还有有限元法的前景比较广阔，通过有限元数值模型能够对土体材料性质的空间差异性、力学响应的非线性，复杂的几何边界条件等进行详细的分析，并且还可以通过数值技术对施工过程进行模拟，将施工过程中可能会遇到的各种耦合性因素都模拟出来，在编程以及电算方面都具有较强的效率，并且简化了桩基础设计的工作量，具有很强的现实意义。

2 高层建筑结构桩基础简化设计措施

2.1 “桩土分离模式”进行单桩简化

在进行单桩计算时，可以通过有限元分析来达到简化的目的。因为传统的结构设计计算方法采用的都是不同程度回避桩土结构间的相互作用，对其不做过多的考虑。比如使用地基反力系数法把土地对桩的反作用力等复杂因素通过Winker进行假定，认为其仅仅为单纯的反力系数作用于桩上。而有限元分析却可以综合考虑这些客观存在的事实条件。它可以对力学响应的非线性、土地材料性质的空间差异性和比较复杂的几何边界条件进行综合分析等，不仅求解力学问题简便，同时便于二次开发，相较传统的计算理论有明显的优势。

因此，对单桩的简化分析采取的是将桩和土分别划分单元的方法，要注意这两种单元也不是固定不变的，在它们其中还可以细化设置单元。在利用有限元进行单桩简化分析时，要特别注意单元尺寸的选取对计算结构的影响。其实有时候，单元数量会划分的特别巨大，从而造成计算的困难，因此在实际操作中，可以适当删繁就简，抓住主要部分，以提高工作效率。

2.2 “桩土复合模式”进行群桩简化

在进行计算时，可以通过有限元分析的方法来模拟桩的沉降和荷载关系，以达到简化算法的目的。在实际中，通过群桩基础规范法计算出来的沉降和实际荷载作用下的沉降相比，其值要大得多。为了尽量使其值接近且简化运算，可以采用将垂直于桩轴线的桩土共同作用的平面作为各向同性的面，把桩土三维结构体系作为横观各向同性体。依据桩土各自的弹性模量和泊松比以及桩土这两种材料复合成新的横观各向同性体的九个材料参数（其中只有五个材料参数是独立的），用等效复合体模型计算桩土荷载沉降反应分析。同时要注意群桩上面作用荷载的特点与单桩静力试桩有很大的差别，这点不在赘述。对计算的简化，可以通过下面的方法来达到：把等效复合体模型的参数计算编成程序，修改桩、土的五个参数，在matlab软件上运行即可得到复合模型的九个参数。计算时需注意xoz平面是各向同性的平面。因此，在实际中可以证明，该种方法模拟的桩基沉降，比着规范上要精确许多，在工程实测中有重要的现实意义。

3 结束语

基础工程是建筑工程中的重要组成部分，直接影响到整个建筑的质量和安全，尤其是对于高层建筑来讲，基础工程更为重要，因为其要承受巨大的荷载以及各种作用力。桩基础是基础工程施工形式的一种，在高层建筑中应用的比较广泛，因为其具有较强的稳定性，沉降性能好，在各种力矩的作用下，都能够保证高层建筑的安全性，所以桩基础的设计非常重要。随着建筑工程的不断发展，对于桩基础的设计要求越来越高，所以要充分的利用先进的理念和技术，提高桩基础的设计水平，为建筑工程的长久发展创造有利的条件。

参考文献

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