高层建筑的基础知识

1、2022/7/211高层建筑的基础知识2022/7/212第一节 概述高层建筑由于功能上需要，往往在其四周配有低层裙房。高层建筑的一般高达15层以上，而裙房一般低于6层，造成基础内力和地基反力的差异且变化很大，导致基础发生过大的差异沉降。如果主楼和裙房之间的基础选用、设计和连接不当，过大的沉降差引起的附加应力会造成建筑物的开裂。高层建筑主楼和裙房之间基础的连接设计十分重要。第八章 带裙房高层建筑与地基基础的共同作用分析2022/7/213杭州立元大厦主楼19层和裙房4层深圳电视中心主楼28层和裙房7层第二节 带裙房高层建筑基础的的设计特点一、有关规范对建筑物设置变形缝的规定(一) 我国规范对建

2、筑物设置变形缝的规定建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002)规定：在满足使用和其他要求的前提下，建筑体形应力求简单。当建筑体形比较复杂时，宜根据其平面形状和高度差异部位，在适当部位用沉降缝划分成若干个刚度较好的单元。当高度差异或荷载差异较大时，可将两者隔开一定距离，如拉开距离后的两单元必须连接时，应采用能自由沉降的连接结构。 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)在条文说明中指出：高层建筑宜选用合理的建筑结构方案而不设置防震缝；采用合适的计算方法和有效的措施，以消除不设防震缝带来的不利影响。(二) 国外规范对建筑物设置变形缝的规定世界各国对于建筑物设缝的条件和缝宽的规定各有不同

3、，美国、新西兰目前的设计规范倾向是尽量避免设缝。 二、 现有高层建筑主楼与裙房之间的处理方法 综合来看，目前处理高层建筑主楼和裙房之间的差异沉降的办法主要有四种：1.设置沉降缝将主楼和裙房分开；2.主楼和裙房同置于一个刚度很大的基础上；3.主楼和裙房采取不同基础形式的联合设计，中间不设沉降缝；4.主楼和裙房基础的连接采取铰接形式等。(一) 设置沉降缝设置沉降缝将主楼和裙房基础分开，这是一种传统的设计方法。按建筑抗震规范，房屋建筑在平面和立面的布置宜规则、对称，建筑的质量分布和结构刚度变化宜均匀，否则需要设防震缝将建筑分成规则的单元。按建筑地基基础规范，在建筑高度和荷载差异部位，结构或基础类型不

4、同的部位，宜设沉降缝。根据混凝土结构设计规范，现浇框架结构和剪力墙结构的伸缩缝最大间距分别为55m和45m。按照上述规范的要求，许多高层建筑主楼和裙房之间都均设置变形缝(防震缝、沉降缝、伸缩缝)。例如，上海地区的龙门宾馆、贸海宾馆和北京地区的北京饭店等高层建筑。2022/7/2172022/7/218龙门宾馆和铁路大厦沉降缝2022/7/219上海贸海宾馆(兰生大酒店)北京饭店(二) 采用整体基础由于建筑功能上的需要，要求高层建筑主楼和裙房之间不设缝。高层建筑主楼和裙房采用整体基础，同置于刚度很大的筏基或箱基上，用以抵抗差异沉降产生的内力；基础通过桩支承在基岩或承载力较大的持力层上，可使主楼和

5、裙房基础之间不产生沉降差。当地基土软弱，后期沉降量大时，可以将裙房放在悬挑基础之上。但由于悬挑部分不能太长，因此裙房面积不宜过大。采用这种基础方式的高层建筑有海口海燕大厦、深圳云南大厦、上海联谊大厦和上海海仑宾馆等。2022/7/21102022/7/2111上海海仑宾馆采用整体板式基础2022/7/2112海口海燕大厦上海联谊大厦(三) 主楼和裙房采用不同基础形式的联合设计主楼和裙房采用整体基础或悬挑基础形式，要求裙房面积不能很大，否则会造成材料浪费，因此，又出现了主楼与裙房采用不同基础形式的联合设计方法。主楼和裙房基础的联合设计是指主楼和裙房采取不同的基础形式，中间不设沉降缝。通常采用轻质

6、材料减少主楼自重或利用补偿式基础以减少主楼附加压力，使不均匀沉降可以忽略或可按经验方法处理。也有在主楼和裙房间设后浇缝，主楼在施工期间可自由沉降，待主楼结构施工完毕后再浇后浇带混凝土，使余下的不均匀沉降可以忽略或可按经验方法处理。这种方法在北京和广州比较成熟。2022/7/21131. 箱基与基础粱的联合设计主楼采用箱基，取得补偿，以大大减小沉降裙房采用基础梁，以增加沉降，主楼与裙房两者的基础和上部结构连成整体。2022/7/2114北京长富宫中心条形基础箱形基础2022/7/2115初步设计时提出了三个设计方案。 方案一，主楼和裙房下均采用深的箱基，并在主楼四周设后浇缝； 方案二(见图9-1

7、0)，主楼采用箱基，裙房采用条形基础并减少埋深，主楼周围仍设后浇缝；方案三，它与方案二的不同之处仅在于主楼四周设永久沉降缝。 2022/7/21162022/7/21172. 桩箱基础与独立柱基础的联合设计当主楼层数多或地基土条件要求主楼采用桩箱或桩筏基础，同时要求主楼和裙房之间的沉降差尽可能小时，裙房可采用独立基础、基础梁或筏基。这种基础联合设计方案应按地质条件和沉降分析来综合确定。2022/7/2118北京昆仑饭店12m长的桩基3. 桩箱基础与筏形的联合设计在主楼下采用桩箱基础，裙房采用箱式筏基，直接设于天然地基上。2022/7/2119安徽文艺大楼箱基2022/7/21204. 主楼和裙

8、房基础的连接采用铰接形式主楼和裙房基础均为桩筏基础，但筏厚、桩径、桩数均不同，主楼和裙房基础之间的连接采用铰接形式，连接部位的弯矩为零。金茂大厦三、主楼和裙房之间不设缝的共同点高层建筑主楼和裙房之间不设变形缝时有如下特点：(1)持力层好。(2)裙房面积不大。(3)有长期的沉降观测和工程实际的资料的积累。(4)采用后浇缝(带)。(5)主楼和裙房采用不同基础形式的联合设计而不设变形缝时，主楼通常用箱基、桩箱或桩筏基础的形式，以尽量减小沉降；而裙房通常采用独立柱基或条形基础，以增加沉降量。(6)对于超高层建筑，主楼和裙房基础之间不设缝，采用铰接的连接形式。设缝或不设缝问题的关键在于两者间的差异沉降。

9、2022/7/2121 第三节 带裙房高层建筑与地基基础 共同作用理论对于带裙房高层建筑，由于上部结构数据非常庞大，一般的计算机容量更是无法满足要求，因此，必须采取措施分批处理。常用的有子结构法和波前法。波前法*效率较高，但程序处理复杂，不便于耦合不同结构体系间的共同作用，子结构法则有许多方便和优越之处。 *波前法：消元过程中，工作区仅为三角形(波前区)。缺点是内存、外存交换频繁；需要存储大量信息，以用于恢复完成集成，消元的自由度号。2022/7/2122一、子结构法在带裙房的高层建筑与地基基础共同作用分析中的应用2022/7/2123考虑如图9-18所示的带裙房高层建筑将结构平面扩大前的上部

10、结构称为主楼，扩大后的上部结构称为裙房。将建筑物从上到下分割成M+N+1个子结构，其中，主楼分割成M个子结构，裙房分割成N个子结构，N+l为基础子结构。(N+1)-(N+1)为基础与地基的接触面，(M)-(M)为主楼与裙房的交接边界面。上部结构刚度及荷载向基础的凝聚分成两个阶段。2022/7/2124(一) 主楼结构刚度的凝聚(第一阶段)第一阶段为主楼刚度和荷载向裙房顶面的凝聚。将该建筑物按串联顺序分割为子结构1、子结构2、子结构M。(1)-(1)，(2)-(2)，(M)-(M)为相邻子结构的边界。从子结构1开始，首先形成子结构1的刚度及荷载，得到子结构1的平衡方程。通过高斯消元，消去内部节点

11、位移Ui，得到子结构1边界(1)-(1)上的边界刚度矩阵Kb1和边界荷载向量Sbl。2022/7/2125对于子结构2，同样首先形成子结构2的刚度矩阵及荷载向量，得到子结构2的平衡方程。再按节点对应，把子结构1凝聚得到的Kbl和Sbl各元素叠加到子结构2的平衡方程两端与(1)-(1)边界节点相对应的位置上，得到子结构2的平衡方程，然后消去Ui，得到子结构2的边界(2)-(2)的边界刚度矩阵Kb2和边界荷载向量Sb2。继续上述过程，可得全部上部结构的边界(M)-(M)的等效边界刚度矩阵KbM和等效边界荷载向量SbM。根据子结构法理论， KbM和SbM对(M)-(M)边界以下的结构的作用，与上部主

12、楼结构对该边界作用的效果完全等价。2022/7/2126(二) 裙房结构刚度的凝聚(第二阶段)第二阶段为已经考虑主楼刚度后的裙房刚度和荷载向基础顶面的凝聚。由于裙房相对于主楼其结构平面已扩大，故裙房子结构也相应扩大，其大小仍以不超过计算机容量为限。对裙房子结构1，首先形成结构刚度矩阵和荷载向量，同时考虑主楼刚度和荷载的影响。2022/7/2127裙房结构刚度矩阵和荷载向量凝聚方法：使主楼结构平面的全部节点与裙房结构平面的部分节点重合，通过节点对应关系，将主楼子结构凝聚得到的KbM和SbM叠加到裙房子结构刚度矩阵和荷载向量相对应的节点位置上，从叠加主楼刚度和荷载的裙房子结构1开始，重复前面所述的

13、子结构凝聚过程，可得全部上部结构的边界(N)-(N)的等效边界刚度矩阵KbN和等效边界荷载向量SbN。将KbN 和SbN简记为KB和SB，通过与基础子结构和地基的耦合，可建立带裙房的高层建筑与地基基础共同作用分析的基本方程。2022/7/2128(三) 地基与基础的耦合记基础刚度矩阵为Kr，荷载向量为Qr。在地基与基础的相互作用分析时，作如下的简化：忽略基底界面上的摩擦，假定地基只对基础节点提供竖向支承，支承反力以集中力形式作用于基础节点，基础对地基的作用只表现在大小与上述集中力相等的竖向力作用在地基上。基础可简化为支承在各节点处的竖向弹簧系统上，弹簧系统的支承刚度就是地基刚度矩阵Ks。对不同

14、的地基模型，弹簧系统以不同的方式相互耦联，故Ks的求法视不同的地基模型而定。2022/7/2129(四) 带裙房的高层建筑与地基基础共同作用分析的基本方程根据静力平衡条件、竖向位移连续条件和节点对应关系，将带裙房上部结构、基础与地基三者统一起来，可建立带裙房的高层建筑与地基基础共同作用分析的基本方程： KB+Kr+KsU=Q+SB 式中，U为基础位移向量。通过求解该方程和回代可得基础沉降、基础内力、地基反力、上部结构位移和内力等数据，从而完成整个带裙房的高层建筑与地基基础共同作用分析的工作。采用子结构法，无论凝聚过程还是最后求解，每次运算只涉及一个子结构，大大减小对计算机容量的要求。2022/

15、7/2130（五） 带裙房高层建筑与地基基础共同作用分析程序 根据带裙房高层建筑上部结构与基础及地基共同作用的基本方程及分析处理方法，可编制带裙房高层建筑与地基基础共同作用分析程序。程序采用FORTRAN语言编制，具有如下功能：能计算含一幢或多幢主楼的带裙房高层建筑；基础形式可以是桩筏、桩箱、天然地基或地下连续墙基础，也可以是墙-桩-筏(箱)复合基础；箱基底板或筏板厚度可变；能计算联合设计基础，即主楼采用箱或筏或地下连续墙基础，裙房采用条基或天然地基；能考虑主楼和裙房的桩长不同，地基土为层状；2022/7/2131整个程序采用动态数组，可在较小内存的计算机上运行，基本可满足工程实际需要：可计算

16、平面形状较复杂的建筑物；可对设缝或不设缝的带裙房高层建筑进行计算；可得基础沉降、底板内力、桩箱(筏)荷载分担比、上部墙板内力等数据；程序作某些修改，可用于逆作法设计和施工中控制柱间的差异沉降。程序流程如下图所示。二、计算实例(自学)2022/7/21322022/7/21332022/7/2134第四节 软土地区带裙房高层建筑地基基础设计建议主楼和裙房与地基基础共同作用的主要问题，就是要比较准确地确定两者的差异沉降，也就是使得两者的差异沉降达到满足设计要求的问题。在本节中，侧重针对上海地区软土的工程特性和工程实践，提出带裙房的高层建筑的地基基础设计建议。2022/7/2135一、设置沉降缝的利

17、弊按传统设计思想，在建筑高度和荷载差异较大的部位，为避免差异沉降引起建筑物的开裂或整体倾斜，宜设置沉降缝将两部分分开。但在具体工程中，设置沉降缝会带来许多问题：(1)从建筑方面来看，沉降缝的设置不利于室、内外立面的处理，目前尚无先进的盖缝材料和合适的盖缝模式，会给人产生建筑上分割和离散的感觉。(2)从施工方面来看，在使用功能要求较高的建筑中，如果在主体和裙房之间设置沉降缝，会给采暖、通风、电气管线的设置带来不便。2022/7/2136(3)从结构方面来看，一些设计人员为使受力明确，将不规则结构分为规则结构，认为只要有足够的缝宽可以保证相邻建筑不相撞，因此，认为设缝有利而无害。 (4)主楼和裙房

18、之间设置沉降缝，地面将会产生高差，不但有碍观瞻，而且在使用上也带来不便。(5)从抗震性能来看，由于地面运动的复杂性和不可预见性，只要某一个单体结构受到的地震作用特别大，将会造成较大的变形，一般的缝宽难以满足要求，导致发生碰撞，殃及其他单体，甚至因碰撞而倒塌。因此，沉降缝的设置能使各单体独自沉降，未必能提高结构的抗震性能。2022/7/2137(6)高层建筑主楼和裙房之间设置沉降缝，对主楼影响不大，但会引起裙房发生较大倾斜；主楼和裙房之间不设置沉降缝，通过采用主楼和裙房的不同基础形式等，可以实现主楼和裙房沉降的协调。(7)裙房面积大不是设置沉降缝的重要因素，裙房面积大，反而有平衡差异沉降的作用，

19、此时，要采取措施消除局部过大的差异沉降。综上所述，设置沉降缝给建筑、施工和设备安装等方面带来诸多不便，并且设缝并不一定比不设缝安全，因此，在一般情况下，主楼和裙房之间不宜设缝。2022/7/2138二、软土地区主楼和裙房之间不设缝的可能性在设计主楼和裙房的基础时，通过调整主楼和裙房的差异沉降，从而达到不设置沉降缝的目的，是有充分的可能性的采用不同的桩长或桩距采用不同的基础形式结合后浇缝下面将进一步结合上海地区的工程实例，具体地加以阐述。2022/7/21392022/7/2140上海地区的工程地质概况上海地处长江三角洲前缘，基岩埋藏于地表以下200300m。上海地区浅层土为第四纪沉积层，地质年

20、代较近，固结度低，比较软弱。土层呈带状分布，各主要土层的物理力学性质指标大体上如下表所示。地下水埋藏较浅，离地表年平均仅5070cm。土层的分布有一定的规律性，但土层的厚薄仍有较多的变化，有的土层在某些地段缺失。2022/7/21412022/7/2142从总体上看，上海地区的地层体系，第层以上以软土为主，第层以下逐渐变为以砂性土和硬土为主体的地层体系。上海的淤泥质粘性土属于高压缩性，第层粘性土属于压缩性中偏高的土，故上海的天然地基的沉降一般都比较大。采用桩基础，桩尖位于浅部地层也有较大沉降，进入第层硬土层，沉降减小，是普通桩基础的良好持力层。进入第层以下砂性层后，沉降较小。第层为上海第一含承

21、压水砂层，沉桩时贯入阻力很大。第层为中压缩性软土层，呈轻微超固结状态，第层为第二含承压水砂层，当进入第层或第层时，沉降很小，是高层建筑桩基础的良好持力层。(一) 充分发挥桩基的优越性上海系长江三角洲相及河口滨海相沉积，属软土地基，直接建造于软土地基上的建筑物沉降速率和沉降量大，沉降稳定历时也长。对于上海这样的软土地区，一般来说，当高层建筑超过1213层楼时，不能采用天然地基。桩基础具有承载力高、沉降较小、沉降均匀及沉降稳定较快的独特的优点。事实上，上海近几年来建造的许多高层及超高层建筑，绝大多数采用桩箱(筏)基础。充分发挥长桩的优越性，同时施工技术又得到保证，长桩可为高层建筑主楼和裙房之间不设

22、沉降缝创造技术上的条件。合理调整主楼和裙房桩的长度或桩径或桩间距，可以控制差异沉降，达到不设沉降缝的目的。2022/7/2143(二) 综合运用桩基沉降计算方法确定差异沉降值调查研究表明，高层建筑的实测沉降值与按上海地基规范计算值之间有很大差异。对于上海25层以上高层建筑，均采用桩筏或桩箱基础，桩的入土深度为4570m，设计时，按规范计算得的最终沉降值在2040cm之间，事实上，当结构封顶或竣工时的实测沉降，例如上海宾馆为，而希尔顿宾馆只有，其余的约。由此可见，目前25层以上的高层建筑，实测沉降值比按规范计算的沉降值要少一半以上。现有的规范计算沉降方法不适用于作为高层建筑主楼和裙房基础设计的依

23、据，却可能增加主楼和裙房之间不设缝的困难性。2022/7/2144从工程实例分析表明，带裙房高层建筑与地基基础共同作用理论可以比较准确地分析工程实践问题，再借助现场观测、现场模拟以及以往经验，可以获得可靠的沉降值。带裙房的高层建筑桩箱(筏)基础设计的关键是选择合适的沉降计算方法和确定合理的差异沉降值。影响桩基沉降的影响因素很多，没有任何一个计算方法可以概括各种影响因素，必须运用多种合理和有效计算方法，从不同角度进行计算，探讨各种可能的沉降值，经过分析和结合经验，从而综合考虑确定的沉降值，才是最为合理的数值。2022/7/2145下面列举经过多年来上海的工程实践检验的一些比较合理实用的计算桩基沉

24、降方法：1.预估建筑物竣工时的桩基沉降的半理论-半经验公式；2.桩基最终沉降计算的简易理论法；3.明德林(Mindlin)应力面积法计算桩基沉降；4.带裙房高层建筑与地基基础共同作用理论计算桩基沉降；5.桩基变基床系数迭代法。对于带裙房的高层建筑，最好同时采用上述几种方法，再加上工程经验，即能综合确定合理的桩基沉降值和差异沉降值。2022/7/21462022/7/2147(三) 优化选择主楼和裙房的桩筏(箱)基础1.主楼和裙房采用不用后浇缝的整体基础上海兰生大酒店，主楼与裙房采用桩筏基础，适当减少裙房下的桩数，同时使底板减薄，使裙房沉降大一些，减少主楼和裙房的差异沉降，实测证明得到满意的结果。由此可见，高层建筑主楼筏板基础厚度厚些、桩密些，而两层地下室部分的筏板基础厚度薄些、桩疏些的整体筏板基础设计是可行的。2022/7/2148上海兰生大酒店筏基钢筋应力实测值2.主楼和裙房采用后浇缝的整体基础(1)主楼和裙房采用等长的桩，而桩径和桩距不同，主楼用厚板，而裙房用薄板。上海国际贵都大饭店就是一个典型的建造于软土地基上的裙房面积很大、伸出主楼很长而主楼和裙房之间不设缝的例子。上海国际贵都大饭店主楼28层，高，裙房4层，高18m，地下1层，框筒结构。 2022/7/21492022/7/2150上海国际贵都大饭店2022/7/2151(2)主楼和裙房采用