平板筏基的结构设计研究

■王宏志 ■吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022

基础是高层建筑传递竖向荷载到地基，并保证上部结构受到水平荷载(即风荷载及地震作用)时仍能保持足够稳定的重要保障。筏板基础基底面积大，整体性好，调适不均匀地基沉降能力强，而且高层建筑地下室常用作地下停车库，不便设置较多的隔墙，筏板基础比箱形基础更易满足停车库的空间使用需求。筏板基础包括梁板式和平板式两种类型，后者比前者抗冲切和抗剪切能力更强，构造更简单，施工也更方便，大量工程实践和工程事故分析也表明平板筏基适应性更好，所以它是较为理想的基础型式，并在高层建筑中获得广泛应用［1，2］。但是地质条件、工程特点、设计方法等差异，使得平板筏基的结构设计仍有许多细节值得考究，因此本文对设计中的相关问题进行了探讨。

1 平板筏基的结构设计方法

1.1 平板筏基的设计方法

筏基设计方法分为简化计算方法、考虑地基和基础共同作用的方法、地基-基础-上部结构共同作用的方法。

简化计算方法是把地基、基础和上部结构分割成三个部分，再独立求解。这种方法假定基底压力呈直线分布，只有筏板刚度相对地基刚度较大时才适用。若上部结构的刚度很大，可采用倒楼盖法或倒梁法;而上部结构能为柔性结构，则可采用静定分析法进行设计。倒楼盖法适于平板筏基厚跨比≥1/6 且柱荷载、柱间距的变化≤1/5 的情形，可按照无梁楼盖的方法截取柱下板带及跨中板带进行设计，此时地基反力均匀布置在基础底面上。柱下板带有效宽度范围内(即柱宽加两侧0.5 倍板厚且不超过1/4 板跨范围)的配筋量不得少于柱下板带钢筋量的1/2，并应能承受作用于冲切截面重心上的不平衡弯矩的作用。倒楼盖法力学概念清楚，计算简易，目前仍为许多设计人员习惯采用。倒梁法是指将筏板分割为独立的条带，并把相邻柱列间跨中到跨中的距离作为条带宽度，并忽略条带间的剪力传递，计算出条带下的基底净线反力后就可以利用经验系数进行倒梁法计算。静定分析法也按倒梁法分割板带，再用修正荷载的方法近似板带间的剪力传递，然后就可以用静定分析法计算任意截面的内力。

考虑地基和基础共同作用是把筏板与地基作为一个整体来研究，上部结构仅作为荷载考虑，适用于地基比较复杂、上部结构刚度较差或柱荷载、柱间距变化较大的情形，一般按地基上的梁板方法进行分析，例如弹性地基梁板模型(艾克尔地基模型)就是一种简单的线弹性模型。由于板厚远小于长宽两个方向的尺寸，可采用薄板理论进行分析，并利用有限差分法、有限单元法等进行计算。

地基-基础-上部结构共同作用的方法是将三者作为一个整体，目前多采用单向压缩分层总和法，例如《建筑地基基础设计规范》(GB50007 -2011)也规定采用这种方法。单向压缩分层总和法也就是分层地基模型，由于考虑了地基土的压缩特性以及地基压缩层深度的影响，使计算结果更符合实际情况。计算土体附加应力时可采用弹性解的明德林(Mindlin)应力公式，但是按该公式计算出的基础沉降和内力往往偏大而可能产生较大的设计偏差，所以需要进行修正。修正系数是(是集中力作用点偏离基准点的距离，是集中力作用点偏离计算点的距离)。修正以后计算结果会更符合实际情况。目前，可采用有限单元法、有限条分法、边界元等进行计算。现有1 算例，楼层12，层高3.6m，筏板厚1.0m，采用ANSYS12.0 软件进行地基-基础-上部结构共同分析，图1 是算例模型平面图。得到沉降和应力分析结果如图2～3 所示。可见，常规方法(简化计算方法)与共同作用法有明显差异，常规方法基础沉降差较大，是没有考虑上部结构“边柱增载效应”之故［3］;常规方法不考虑上部结构刚度影响，应力计算结果也比共同作用法偏大，因此采用共同作用法更加科学合理。

1.2 平板筏基的型式与构造措施

平板筏基由厚板基础组成，主要型式包括等厚筏板基础、局部加厚筏板基础和变厚度筏板基础等。一般情况下，可采用等厚筏板基础，其形状类似倒置的无梁楼盖;但当柱荷载较大，筏板抗冲切能力不满足要求时，可采用局部加厚筏板或变厚度筏板型式，也可以通过调整配筋(如采用抗冲切筋)的做法来满足设计要求。

筏板厚度一般通过抗冲切、抗剪切计算来确定，多层建筑筏板厚度不宜小于200mm，高层建筑的平板厚度不应小于400mm。为了确保底板的刚度和强度，应在大跨度柱间进行加强，如设置加强板带或暗梁等。

平板筏基边缘一般应悬臂挑出，其作用在于:一是悬挑可增大基底面积，更好地满足地基承载力要求，但是悬挑部分以横向设置为宜;二是调整基础重心，通过悬挑使上部结构与基础的合力作用点重合，可减少倾覆倾向;三是减少基底反力对筏板弯矩的影响。悬挑长度宜为边跨柱距的25%～30%，并且挑出长度不小于板厚(1.0～1.5)倍。

筏板配筋除满足计算要求以外，还应关注以下情况:一是满足构造配筋要求，规范要求配筋率不低于0.15%，但是筏板较厚，所以筏板在柱下和跨中部位的底部钢筋应有35%～50%贯通全垮，而顶部钢筋应按配筋率要求全部拉通，例如分布筋取Φ8@250(板厚≤250mm)和Φ10@200(板厚＞250mm)。二是悬挑边角等部位应采取另设放射状的附加钢筋等措施。

2 平板筏基的结构设计应用

2.1 工程概况

某高层建筑地上23 层，地下2 层，总建筑面积约2.6 万m2，总高度近90m，基础埋深约9m。上部结构为框剪结构，柱网尺寸为8.6m×6.6m。抗震设防7 度，基本加速度0.15g，场地Ⅱ类，地基基础乙级。场地为河流阶地，覆盖层为第四系沉积物，由上至下依次为人工填土、粉土、细砂、中砂、粉土夹粉质黏土、中砂、粉质黏土、中砂。

2.2 基础设计

根据工程地质条件，采用平板筏基。首先，按照GB 50007 -2011第8.4.2 规定，确定基底平面形心与结构竖向永久荷载重心偏心距。其次，按5.1.4 规定，基础埋深不小于建筑物高度的1/15，本工程满足要求。筏基落在粉土层上，特征承载力为140kPa，不满足基础压应力420kPa 的要求，决定采用CFG 桩处理，复合地基承载力为430kPa，满足要求。筏板厚度取1.6 m，C30 混凝土，按8.4.7 规定验算筏基柱下冲切746kN/m2＜933N/m2，满足要求。同样按8.4.10，验算筏基受剪承载力也满足要求。由于地基土比较均匀，无液化软弱土层，上部结构刚度较大，筏基内力按基底反力直线分布计算板带弯矩及各控制截面的配筋量。

3 结束语

平板筏基以良好的整体性、承载能力而在高层建筑中获得广泛应用，但正如其设计方法经历了不考虑共同作用到考虑上部结构、基础、地基的共同作用的过程，粗糙到精确意味着在满足结构安全的基础上获得更好的经济效益。然而各地岩土工程地质条件和工程特点都存在一定的差异性，唯有综合各种因素，全面考察造价、工期、工法，才能选出最合理的基础形式。

［1］陈荣欣.高层建筑平板式筏基设计中的若干问题［J］.建材世界，2013，34(2):78 -81，85.

［2］孙鹏程，吴佳祯，吴彬.某服务中心平板式筏基优化设计［J］.江苏建筑，2014(3):66 -69.

［3］王中原，郭小刚，张晓岸.框架—筏基—地基相互作用的有限元分析［J］.邵阳学院学报(自然科学版)，2014，11(2):34 -37.