高层建筑地基和基础的特点和设计原则要求

1、高层建筑地基和基础的特点和设计原则要求10.1.1 高层建筑地基与基础10.1.2 高层建筑地基与基础的特点 高：层数多，总高度高； 重：自重大，荷载大； 由于建筑物高耸，使得竖向荷载大而集中，水平荷载（风荷载和地震作用）引起的倾覆力矩很大，因此多层房屋基础形式及设计方法一般不能简单搬用于高层建筑。 大：高层建筑通常由主楼和裙房构成，占地面积较大。 主楼和裙房间荷载差异较大的相邻基础间往往采用沉降缝分开，地基和基础受力和构造复杂。 深：基础埋置深度较深。 为了抵抗水平力产生的较大的倾覆力矩，保持建筑物的整体稳定性，基础埋深一般都较大。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010)要求基础埋深

2、一般为建筑物高度的1/151/18。 施工难度大，造价高、工期长。10.1.3 高层建筑地基与基础设计基本原则 基础设计和地基设计两大部分。满足原则： （1）承载力要求 （2）地基变形要求 （3）抗滑移、抗倾覆10.1.4 地基基础上部结构相互作用的概念上部结构、地基、基础是共同作用的整体系统，三者同时满足静力平衡条件、变形协调条件及各自的物理条件（即材料自身的本构关系）。上部结构、地基、基础各自的刚度均对其它部分的受力及变形性能产生影响。高层建筑基础设计的特点共同作用分析。把上部结构、基础、地基看成一个彼此协调工作的整体系统进行分析，利用三个条件求解整个系统的内力和变形。共同作用分析的特点：

3、高维甚至无穷纬超静定。只有采用计算机与数值分析方法进行。我国高层建筑基础设计方法的发展过程（1）基本不考虑共同工作阶段设计方法：将上部结构、基础、地基及分割成三个部分，各自独立求解。 以图1-1所示的高层框架为例，求解可分为三步： 第一步，将框架柱沿基础顶面切开，框架视为柱底为嵌固端的独立结构，利用结构力学的方法求解结构内力及柱底内力； 第二步，将柱底内力反作用于基础梁，并假定梁底的地基反力为直线分布，按结构力学方法求解基础梁；第三步，按总荷载求出基底平均反力，按柔性荷载(即荷载可以随结构的变形而移动)计算地基的变形，并将地基的平均沉降值近似的当作基础的沉降。该方法的特点：仅满足了静力平衡条件

4、，不满足三者的变形协调条件，基础的变形和内力与实际偏离；设计中往往保守，造成很大的浪费。（2）仅考虑基础与地基共同工作阶段 设计方法：不考虑上部结构刚度的影响，先按柱底嵌固于基础，用结构力学方法求柱底内力，然后按照基础底面与地基变形协调条件，对两者进行分析。 如：弹、塑性地基上的梁、板和箱基计算理论，都是以该方法为基础分析的。该方法的特点：比第一阶段先进；对基础的内力和变形分析偏大，偏于保守。（3）开始全面考虑上部结构基础地基共同工作阶段 设计方法：统一考虑上部结构、基础、地基三者共同作用，采用有限单元法（特别是子结构分析技术）得到三者共同作用的基本方程。上述方法称为子结构法。 其它的简化方法

5、有：等效刚度法、弹性杆法等。 该方法的特点：真实反映高层建筑的上部结构、基础、地基的实际工作状态，设计经济合理。数据处理、计算量巨大，必须采用电算实现。高层基础设计中应用共同作用理论的 意义 有效利用上部结构的刚度，使基础的结构尺寸大大减小。如：若把上部结构与基础作为一个整体考虑，可以减小箱形基础的高度；若上部结构为剪力墙体系，可以把箱基改为筏基。（1）对主楼和裙房分别采用不同形式的基础，在某些条件下可以使主楼和裙房的基础和上部结构连接成一个整体（即不设置沉降缝），更好的满足建筑功能要求。（2）采用共同作用理论合理设计地基与基础，若以变形控制设计，可以减少基础内力与沉降，降低造价。10.2 高

6、层建筑基础类型及其设计要点10.2.1 柱下条形基础和十字交叉条形基础钢筋混凝土柱下条形基础十字交叉条形基础（1）适用范围 荷载较大，地基较软（2）受力特点纵横两个方向的截面内均存在弯矩和剪力。（3）内力计算方法1）横向的弯矩、剪力由翼板来承担，内力计算与墙下条形基础相同2）纵向内力的计算方法：静定分析法、倒梁法、弹性地基梁法。柱下条形基础构造（4）构造要求1）基础梁横截面一般呈倒T形，混凝土强度等级可采用C20 ；2）梁高一般采用柱距的1418，当柱荷较大时，可在柱两侧的局部增高(加腋)。 3）底板厚度不宜小于200mm，当底板厚度为200250mm时，宜用等厚度底板，当底板厚度大于250m

7、m时，宜用变厚度底板，其坡度i1：3；4）条形基础的端部应向外挑出一定长度以增大基础底面积，并使基底反力分布比较合理，挑出长度宜为第一跨距的倍；5）梁的宽度应略大于该方向柱的边长。现浇柱与条形基础梁的交接处，其平面尺寸应满足构造要求；6）基础梁顶面和底面纵筋最小配筋率为0.2;7）翼板横向受力钢筋由计算确定，直径10mm,间距250mm。(2)确定基础梁的长度和悬臂尺寸。选定基础梁从左边柱轴线的外伸长度为a1，则基础梁的总长度L和从右边柱轴线的外伸长度a2分别为：(1)求荷载合力重心位置。柱下条形基础的柱荷载分布如图a所示，其合力作用点距N1的距离为：柱下条形基础设计、计算步骤(3)按地基承载

8、力设计值计算所需的条形基础底面积A，进而确定底板宽度b。(4)按墙下条形基础设计方法确定翼板厚度及横向钢筋的配筋。(5)基础梁的纵向内力计算与配筋：根据柱下条形基础的计算条件，选用简化法或弹性地基梁法计算其纵向内力，再根据纵向内力计算结果，按一般钢筋混凝土受弯构件进行基础梁纵向截面验算与配筋计算，同时应满足设计构造要求。 片筏基础（1）适用范围 地基承载力较小，且上部结构荷载较大。（2）特点 1）易于满足软弱地基承载力的要求； 2）能减少地基的附加应力和不均匀沉降； 3）能增强建筑物的整体抗震性能； 4）的可以提供比较宽敞地下使用空间。（3） 片筏基础的分类与构造要求1）片筏基础的形式 板柱式

9、和肋梁式2）肋梁式片筏基础 a. 基础肋梁位于底板上 b. 基础肋梁位于底板上3）片筏基础的构造要求a、厚度：平板式筏板基础的厚度200mm，肋梁式筏板基础的板厚200mm，且宜大于计算区段内最小板跨的1/20。筏板厚度应按受冲切和受剪承载力计算确定。b、平面尺寸：尽量使荷载合力与筏基形心重合，并采取措施减小基底不均匀沉降(如减小柱荷载差，或设置悬臂板等)，底板尺寸要根据地基承载力设计值的要求。c、筏板边缘：应伸出边柱和角柱外侧包线或侧墙以外， 筏板悬挑长度边跨柱距的1/4，无外伸梁的筏板，伸出长度 。双向外伸部分的筏板直角应削成斜角d、 材料：筏板基础的混凝土强度等级应不低于C20。e、配筋

10、要求：筏板配筋除按计算外，纵横方向支座配筋应按一定的配筋率彼此连通，对剪力墙下筏板，纵向为，横向为，对柱下筏板，纵向和横向均为。柱下和墙下筏板的跨中钢筋均按实际配筋率全部连通。分布钢筋在板厚h250mm时取8250mm，在板厚h250mm时,取10200mm. f、附加钢筋：筏板边缘的外伸部分应上下配置辐射状附加钢筋，其直径与边跨板的受力钢筋相同，外端间距不大于200mm。 （4） 片筏基础基底反力和内力的简化计算方法1）片筏基础内力计算的分类 a、刚性法（倒楼盖法、刚性板条法） b、弹性地基基床系数法2）刚性法 a、刚性法的适用条件： 上部结构的整体刚度较大，筏板基础下的地基土层分布均匀，可

11、不考虑整体弯曲而只计局部弯曲产生的内力。 b、刚性法的基本假设：基础承受荷载后基底产生变形，但仍保持平面；基底反力呈线性分布。 3）基底净反力的计算刚性板条法4）倒楼盖法计算基础内力的方法：将筏板作为楼盖，地基净反力作为荷载，底板按连续单向板或双向板计算。采用倒楼盖法计算基础内力时，在两端第一、二开间内，应按计算增加10一20的配筋量且上下均匀配置。5）刚性板条法 刚性板条法的计算方法： 将筏板划分为互相垂直的板带，板带的界限在柱列中心线，每条板带作为独立的地基梁计算。10.2.3 箱型基础1.箱形基础的适用范围 当上部结构荷载较大而地基土又比较软弱时，高层建筑基础常采用箱形基础。2.箱形基础

12、的组成 箱形基础是由钢筋混凝土顶板、底板、内外侧墙板组成的空间格构式整体结构。3.补偿性基础的概念 补偿性基础是指建筑物的总重量与基础范围挖去的土总重量(含地下水重)相等，基础底面附加压力等于零，上部荷载在地基内不产生附加应力和变形。 箱形基础的组成示意图补偿性基础的分类：根据基础底面平均压应力大小可分为：(1)全补偿性基础：即基础底面平均压应力等于基底的自重压应力；(2)部分补偿性基础：即基础底面平均压应力大于基底的自重压应力。4.箱形基础设计应遵循的规范高层建筑箱形与筏形基础技术规范(JGJ 62011) 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010) 5.箱形基础的构造要求(1)箱形基

13、础的材料箱形基础的混凝土强度等级不应低于C25，采用密实混凝土刚性防水方案时，其外围结构的混凝土抗渗要求不应低于S6。(2)箱形基础的埋置深度箱形基础的埋置深度必须满足地基承载力、地基变形和稳定性要求，以减小建筑物的整体倾斜，防止倾覆和滑移。采用天然地基时应不小于建筑物高度的1/12；在地震区箱形基础的埋深不宜小于建筑物高度的1/10。 (3)箱形基础的平面尺寸平面形状应力求简单，基础底面的形心应尽量与上层结构的竖向荷载重心相重合。对单幢建筑物，基底平面形心宜与结构竖向长期荷载重心重合，两者间偏心距e应满足：当恒载与活载组合时，eb/60； 当恒载、活载与风荷载组合时， eb/30 。式中b为

14、矩形箱形基础底板的宽度或长度。 (4)箱形基础的高度 箱形基础高度一般取建筑物高度的1/81/12，且不宜小于箱形基础长度的1/20，也不小于3m。 (5)箱形基础的顶板和底板基础底板厚度不应小于250mm，顶板厚度不应小于150mm。顶板和底板的厚度应满足抗剪承载力要求，底板的厚度还应满足抗冲切承载力要求。在实际工程中，底板由于受力和防水要求，厚度一般在500600mm以上；顶板厚度一般可达300350mm。箱形基础的顶板和底板均应采用双层双向配筋，当底板厚度大于1000mm时，应在板的中面加配一层钢筋网片。 顶板和底板配筋时，钢筋直径不小于14mm，间距一般为100200mm。箱形基础的顶

15、板和底板钢筋，如有接头应优先采用焊接接头，当采用搭接接头时，应按受拉搭接长度考虑。（6）箱形基础的内外侧墙板 箱形基础的外墙应沿建筑物四周布置，内墙沿上部结构的柱网或剪力墙位置纵横向均匀布置。平均每平方米基础面积上的墙体长度不应小于400mm，且墙体水平截面面积不得小于基础面积的1/10，其中纵墙配置量不小于总配置量的3/5。外墙板的厚度不应小于250mm，内墙板的厚度不应小于200mm。 箱形基础的内外侧墙板应采用双层双向配筋，外墙的竖向钢筋直径不宜小于12mm，水平钢筋直径不宜小于l0mm，间距均不宜大于200mm；内墙的竖向及水平钢筋直径不宜小于l0mm，间距均不宜大于200mm。除上部

16、与剪力墙相连的墙体以外，内外墙顶部及底部宜配置不少于两根直径25mm的通长构造钢筋，这些通长构造钢筋在搭接和转角处的连接长度应按受拉搭接长度考虑。 箱型基础的墙、板尺寸及配筋构造图（7）墙体钢筋的接头位置通长上部钢筋的接头位置，宜在墙体中部1/3跨处；通长下部钢筋的接头位置，宜在支座范围内；墙体水平钢筋的接头位置，外墙外筋在中间1/3跨处；外墙内筋在支座范围内；内墙钢筋截断时，每次只能截断1/3。 （8）墙体上开洞口 箱形基础的内墙板上应尽可能少开洞，洞口应设在柱间居中位置，洞边至柱中心的距离不宜小于1200mm。墙体洞口削弱处钢筋的构造要求： 墙体洞口削弱处附加钢筋（9)底层柱与箱形基础连接

17、 底层柱纵向钢筋伸入箱形基础墙体的长度为 ： 外柱、与剪力墙相连的柱、仅一侧有墙和四周无墙的地下室内柱，应全部直通到基础底；其它内柱可把四角的纵向钢筋直通到基础底，其余钢筋可伸人墙内45d。当有多层箱形基础时，上述直通到基础底的纵向钢筋可仅伸至箱形基础的最上一层的墙底。现浇底层柱与箱形基础连接时，在墙边与柱边或柱角与八字角之间的净距不宜小于50mm。 现浇底层柱与箱形基础连接构造(10)箱形基础的变形缝当箱形基础长度大于40m时，可沿基础长度每隔20m至40m留一道贯通顶板、底板和墙体的施工后浇带，后浇带宽度不宜小于800mm，后浇带宜设在柱距三等分的中间范围内。后浇带处的顶板、底板和墙体内钢

18、筋可以贯通不断。施工后浇带可在顶板浇注混凝土14天后，采用比设计强度等级提高一级的无收缩水泥配制的混凝土浇筑密实，并加强养护。 (11)箱形基础的防水 采用密实混凝土刚性防水方案，必要时可采用架空隔水层方案或柔性防水方案 。6. 箱形基础设计要点 （1）基底压应力计算 （2）地基承载力验算 非抗震设防： 抗震设防时，出满足上式要求外，尚应满足：（3）地基变形验算 地基变形特点 天然地基上箱形基础的地基变形与一般建筑物浅基础相比较，有两个主要特点：由于大面积的基坑深开挖，引起比较明显的基坑土(卸载)回弹变形。因此，基坑由于卸载产生的回弹变形影响是不可忽略的。 上部结构与基础及地基的共同作用，在建

19、筑物施工过程中，随着基础和上部结构刚度及荷载的逐步形成的，基础沉降、基底反力也相应渐次发展。 地基变形的三个阶段：自重应力阶段变形，指建筑物加载自重等于基础开挖的土重时地基变形；附加应力阶段变形，是指建筑物加载自超过自重应力起至设计荷载相应的总应力为止这个阶段地基变形，该阶段地基变形约为基础的最终沉降量的3550； 恒应力阶段变形，是指建筑物竣工后的地基长期变形，约为基础的最终沉降量的30一35。 箱形基础地基沉降的特点 自重应力阶段变形和附加应力阶段变形占基础最终沉降的2/3，而浅基础一般为20。(4)整体倾斜验算箱形基础地基倾斜的特点：作为一个刚性整体发生整体倾斜和沉降（横向整体倾斜）。箱

20、形基础地基整体倾斜对结构的影响：使上部结构产生附加应力；影响建筑物的整体稳定和正常使用。影响箱形基础整体倾斜的因素：荷载偏心的大小；相邻建筑物的影响；施工条件。(5) 箱形基础基底反力箱形基础基底反力分布特点影响基底反力分布的因素： 建筑物的荷载分布及大小、基础埋深、基础的平面形状和尺寸、基础和上部结构的刚度、相邻建筑物的影响、地基土的性质以及施工条件等。箱形基础纵向基底反力分布的特点：当建筑物平面形状规则无相邻荷载影响时，纵向基底反力分布图在自重应力阶段基本形成，以后随着荷载的增加，基底反力分布曲线几乎与自重应力阶段相平行，即自重应力以后各阶段的基底反力增量基本上是均匀的。 箱形基础实测的反力分布曲线(a)建筑物箱基为矩形平面且无相邻建筑物(b)建筑物箱基为矩形平面有相邻建筑物(c)建筑物箱基为悬臂矩形平面且无相邻建筑物当建筑物平面形状规则无相邻荷载影响时，纵向基底反力分布呈马鞍形 。基底反力分布的原因：自重应力阶段的应力应变关系处于线弹性状态，形成了基底不均匀的反力分布，以后随着荷载的增加，部分土体进入塑性状态，土体产生应力重分布使得反力趋于缓和，导致反力增量趋于平均。 基底反力的简化计算法反力系数法计算步骤：将基础底面划分为40个区格（纵向8格，横向5格）求每个区格的基底反力：反力系数法的适用条件：上部结构和