高层建筑基础分析与设计-作者-袁聚云-11本科2011秋第十一章-高层建筑-地基基础共同作用的实测与计算分析

2023/9/11在线教务辅导网：教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187

或者直接输入下面地址：2023/9/12为了证实高层建筑地基基础设计及理论的正确性，进行现场测量比之室内模型试验更具有真正的价值。现场实测工作非常艰巨，时间长，费用贵，同时，量测工作不一定完全成功。在本章中将以国内外著名而影响深远的典型工程为实例，主要阐述超高层建筑地基基础的实测和计算。下面分三方面的工程实例论述：超高层建筑的筏板基础、超高层建筑的桩箱基础和超高层建筑的桩筏基础。第十一章高层建筑地基基础的实测与计算分析2023/9/13国外对筏板基础的实测研究并不多，比较完整的当推美国休斯敦市独特壳体广场（OneShellPlaza）筏基的实测结果。该广场高为217.6m，52层，筒体剪力墙结构，筏基平面尺寸为52.46×70.76m，厚为2.52m，埋深18.3m。该广场地基土主要是夹有砂层的坚硬的超固结粘土——更新世三角洲沉积的典型的Beaumont粘土，在建筑场地下200ft(61m)内的土层基本上是均匀的，如图11-2所示。第一节高层建筑的筏板基础

——美国独特壳体广场（OneShellPlaza）

2023/9/14OneShellPlaza,Houston,TX2023/9/152023/9/16在筏基设计时，考虑超固结粘土地基与大型筏基的共同作用。为了提供地基基础与上部结构共同作用的筏基性状的真实数据，制订美国筏基设计的标准，在筏基埋设27个土压力盒和20个钢筋应力计，对基坑回弹与筏基沉降进行测量，测试平面布置图见11-1。从1968年至1975年，该广场测试历时8年之久。2023/9/172023/9/18一、实测地基变形1．回弹变形在基坑开挖前，在基坑底下约0.61m处埋没24个回弹标；在基坑开挖完毕后，测得基坑中心处回弹变形为10.2~15.2cm，基坑边缘为2.5~5.0cm．基坑开挖坑底回弹量的大小是与开挖深度有关的，开挖深，回弹量大，当然也与土性、地下水位等有关。经验值是：开挖深1m，回弹量应在1cm以内。此工程开挖深度为18.3m，相当于每开挖1m深度，基坑中心处的回弹量为0.83cm(=15.2/18.3)，这数值是在1cm以内，所以该基坑是安全的。2023/9/192．筏基纵向弯曲和差异沉降

图11-3表示大楼筒体、外墙和筏基边缘处沉降与时间关系的曲线，也反映该三部份本身以及三者之间的差异沉降。至1976年7月，筒体平均沉降为12.45cm，差异沉降为13mm；外墙沉降为8.1~9.4cm；筏基边缘沉降为3.3~7.1cm。从图中可见，上部结构的刚度对筏基纵向弯曲和差异沉降影响很大，可减少差异沉降。在超压密粘土上巨型筏基的差异沉降主要是在结构加载期间有所发展，几年以后，以衰减速度继续发生差异沉降。2023/9/110

上部结构刚度的影响2023/9/111二、实测基础反力根据27个土压力盒的测试结果，绘制大楼的筏基的各个部位的反力与时间关系曲线，如图11-4所示。从图中可见，在土建结构施工期间，筏基各个部位的反力随荷载的增加而增大。在结构施工竣工后，各个部位的反力变化并不显著，尤其是大楼筒体的筏基反力几乎不变。从图中可见，在主体和外墙之间的反力明显地比筒体的筏基反力要小。筏基反力形成一个锅底形分布。2023/9/112

筏基反力形成锅底形分布2023/9/113三、实测基础应力筏板基础的厚度为2.52m，含钢率较高，考虑施工的方便，分8次浇注。筏基浇注后，由于混凝土收缩产生高达53,800kPa的压力，这样大的应力应特别注意。同时，钢筋应力也要作修正。位于筏基长轴的钢筋应力与时间关系如图11-5所示，它表示筏基浇注后不久，钢筋应力有一个初始突变，以后，钢筋应力只有轻微的增加，仅在筒体边缘处，钢筋应力有较明显的增加。随着上部结构的建造，在筒体边缘处，钢筋应力有最明显的增加。2023/9/114

筒体边缘处，钢筋应力增加较明显2023/9/115在施工完毕后，当筏基继续变形时，钢筋应力继续缓慢地增加。最高应力出现在刚性筒体边缘处(见图11-5)。钢筋应力的最大值达1l0MPa，接近一般的允许应力。实测结果表明，该筏基的大多数断面，其受力状态仍属于不开裂情况。实测结果表明，筒体边缘处的筏基内增加局部钢筋是必要的(见图11-5)。2023/9/116四、计算与实测的综合比较筏基的沉降，反力和应力分布的综合比较见图11-6。

2023/9/117从测试历时8年实测资料分析得到的结论是：1.沉降预估应考虑土与结构物的共同作用；2.在分析中应考虑上部结构刚度对减少差异沉降的影响；3.在超压密粘土上，大型筏基的差异沉降主要发生在结构施工期间；4.筏基的大多数断面处于不开裂受力状态；5.采用的近似分析方法可定性地预估筏基的性状。2023/9/118第二节高层建筑的桩箱基础——世茂滨江花园

世茂滨江花园(ShimaoRivieraGarden)是中国最大规模的超高层水景豪宅，座落在上海浦东，该豪宅是由7幢49~55层、高达169m大楼组成。桩箱基础，箱板厚度2.0m，长58m、直径850mm的灌注桩，落在7-2粉砂层中。总桩数为464根，根据桩的荷载试验，确定单桩容许承载力为5000kN，上部结构为钢筋混凝土剪力墙。桩箱基础的桩布置相当匀称。基础形状为不规则，面积约为2700m2，埋深8.27m。

采用上部结构与地基基础共同作用理论对其中一幢豪宅的桩箱基础的性状进行实测与计算分析。2023/9/119上海世茂滨江花园

2023/9/120世茂滨江花园基础平面图见图11-7。建筑场地的地质条件见表11-1。CJ282023/9/121表11-1各层土的物理-力学性质指标土层编号土层名称厚度(m)含水量w(%)重度γ(kN/m3)孔隙比e压缩系数(cm/s)固结快剪Mpa-1MpaC(kPa)φ(°)2褐黄色粉质粘土1.533.018.90.9210.454.272415o15’3灰色淤泥质粉质粘土2.2542.517.71.1980.822.741118o45’3夹灰色粘质粉土0.8533.118.80.9190.209.59830o45’4灰色淤泥质粘土7.4850.617.01.4271.112.17109o45’5-1a灰色粘土2.543.717.71.2250.723.111410o15’5-1b灰色粉质粘土7.5334.418.50.9830.424.721915o30’6暗绿-黄色粉质粘土3.623.320.30.6580.198.745020020’7-1灰绿-黄色砂质粉土6.9830.919.0

0.8600.1611.66334o15’7-2灰-黄色粉砂32.9527.219.40.7640.1116.02335o15’9-1灰色粉细砂10.8825.919.50.7370.1313.34336o15’9-2灰色含砾粉细砂29.7527.519.30.7700.1412.88335o30’说明：填土1.3m,地下水位为0.5m2023/9/122一、实测和计算沉降1.实测沉降该建筑在2002年2月1日结构封顶，沉降测量从2001年3月21日开始，到2002年10月28日止，共36次。沉降布置点见图11-7，现选测点CJ28(相当中点)，绘制沉降随时间变化的曲线，见图11-8。可以推算，最终稳定沉降约为50mm.。同时，绘制沿纵剖面的实测沉降图，如图11-9所示。2023/9/123

图11-8CJ28#沉降随时间变化的曲线图11-9沿纵剖面的实测沉降2023/9/1242.计算沉降计算的最大沉降为46.5mm,如图11-10所示。从图11-8、图11-9和图11-10对比可见，计算最大沉降与实测最终沉降很接近，而且，沿纵剖面的计算沉降与实测沉降也相当吻合。2023/9/125二、计算弯矩沿纵剖面计算的弯矩分布见图11-11。最大弯矩为4257kN-m,相应的基础应力为2838kPa，因此，建筑非常安全。2023/9/126三、群桩的荷载分布群桩的荷载沿纵剖面的分布如图11-12所示，桩的最大荷载为5163kN，位置靠近核心部。该值刚刚超过桩的容许承载力(5000kN)。2023/9/127通常在桩筏或桩箱基础设计中，工程技术人员不考虑桩筏或桩箱间的荷载分担，甚至也不考虑地下水的全浮力。显然，这种设计是比较保守的。根据上述对世茂滨江花园的桩箱基础的分析，上部结构与地基基础共同作用理论的分析是可行而实用的。2023/9/128第三节高层建筑的桩筏基础

——金茂大厦从上世纪七八十年代始，国内外已经很重视对桩筏基础的现场实测，最早当推英国和德国，已约有20幢高层建筑进行实测；例如：英国的伦敦海德公园骑兵大楼(HydeParkCavalryBarracks)，高度为90m，31层高层建筑，桩筏基础；德国的Messe-Torhaus大楼，高度为130m，22~30层，桩筏基础；欧洲最高的德国商业银行大楼(CommerzbankTower)，高300m，桩筏基础，专门研究上部结构与地基基础共同作用。2023/9/129在我国上世纪80年代，也很重视桩筏（箱）的现场实测，上海有7幢、武汉有2幢和西安有2幢，共11幢。101层的上海环球金融中心已于2007年9月14日结构封顶，2008年8月间竣工，有比较完整的现场测试资料和分析结果。下面具体论述典型的高层建筑桩筏基础工程实例——金茂大厦。2023/9/130三、金茂大厦（JinmaoTower）金茂大厦位于上海浦东陆家嘴地区，88层，高420.5m，桩筏基础，该楼由主楼和裙房组成。主楼地下三层；裙房五层，地下室三层。总面积23000m2。主楼的基础面积3519m2，相当59.32m×59.32m，筏厚4.0m，桩数429根，桩长83m，筏基埋深19.65m，有效桩长63m。总荷载3,000,000kN(300,000t),金茂大厦自1998年8月28日竣工，营业至今，使用良好。金茂大厦总平面图和主楼桩位图分别见图11-22和图11-23，各层土的物理力学性质指标见表11-2。2023/9/1312023/9/1322023/9/133表11-2各层土的物理—力学指标土层编号土层名称层厚含水率重度孔隙比渗透系数固结快剪(m)w(%)γ(kN/m3)ekh(cm/s)kv(cm/s)C(kPa)φ(°)1填土0.90011.017.002粉质粘土2.17535.318.51.005.11E-517.020.803淤泥质粉质粘土4.20039.618.11.111.77E-42.81E-611.522.004淤泥质粘土9.72049.017.31.371.64E-62.47E-714.013.505粉质粘土8.59034.418.50.981.33E-72.49E-513.020.006粉质粘土3.21523.020.10.6751.021.007-1砂质粉土6.94031.218.60.914.2932.707-2粉细砂28.3226.918.90.800.0033.578砂质粉土32.118.50.939-1砂质粉土28.918.90.84注：地下水位为-0.5m。2023/9/134（一）实测沉降分析

1.沉降观测数据沉降测量从1995年10月5日开始到2003年4月1日，在将近7年半期间里，共进行149次的沉降测量，这在中国是首次。主楼筏基的沉降测点平面图见图11-24，沉降剖面图见11-25。2023/9/1352023/9/1362023/9/1372.沉降数据分析最大沉降(M7)为82mm，最小沉降(M1)为44mm，形状像一个倒锅形，根据对M1~M13测点的分析，沉降相当对称。平均沉降。如取13个测点(M1-M13)的平均值，平均沉降值为59.4mm，如取核心筒的5测点(M7,M4,M6,M10,M8),此时的平均沉降值为77.4mm。2023/9/138稳定沉降。如果从148、149两次计算，时间相隔3个月（2003年1月7日到4月1日）的沉降测量对比，只有核心筒的5个测点中有两测点相差1mm，其余8个测点相差为零。如果从147次和149两次计算，时间相隔7个月（2002年9月30日到2003年4月1日），也只有3个测点（包括前述2个测点）相差1mm。《建筑变形测量规程》(JGJ8-2007，前身为JGJ8-97)条款5.5.5-4指出：当最后100d沉降速率小于0.01～0.04mm/d，可认为建筑物已经进入稳定阶段，根据规范要求，大厦的沉降基本趋于稳定。根据分析推算，若干年后，沉降将达到9cm。2023/9/139（二）高层建筑与地基基础共同作用的计算分析对于超高层建筑，沉降和差异沉降控制要求严格，安全度的保证特别高，设计时，必须把应力控制在弹性状态内，有别于一般的高层建筑。根据表11-2的土的指标，计算的平均桩土弹性模量Eo=33MPa。采用高层建筑与地基基础共同作用理论计算桩筏基础沉降、桩顶反力筏板弯矩和应力。现选中轴线的沉降、桩顶反力、筏板弯矩和应力的计算结果分别示于图11-26，图11-27、图11-28和图11-29。。2023/9/1401．桩筏基础沉降基础设置滤水层，不必考虑浮力的影响。为了与考虑浮力的比较，计算结果如图11-26所示。实测的中点沉降为82mm，推算稳定沉降约为95mm。计算沉降为110mm，两者比较接近。从实测与计算的沉降剖面比较，两者形状均像一个倒锅形。

图11-26桩筏基础的中轴线沉降不考虑浮力考虑浮力实测2023/9/1412．桩顶反力建筑物荷载主要集中在四边8个钢筋混凝土巨型柱上，而巨型柱靠近基础边；中间为核心筒荷载，在巨型柱和核心筒间的荷载较小。在这样荷载条件下，计算的桩顶反力分布显示一个转折点（见图11-27）是符合情理，也反映4m厚的基础并非绝对刚性，实测沉降的结果，见图11-25，同样说明这种情况。计算的桩顶反力分布，在角桩最大为8500kN,比之平均荷载7500kN，约大13%，而中心桩的计算反力为6350kN，比之平均荷载约小15%。2023/9/142

图15-37

桩筏基础的中轴线桩顶反力（■——考虑浮力，◆——不考虑浮力）2023/9/1433．筏基弯矩和应力计算的考虑浮力与不考虑浮力的最大弯矩分别为13000kN-m和15000kN-m,如图11-28所示，只是为简便估计，试取截面模量W为bh2/6，那么，相应的应力分别为4400kPa和3800kPa，见图11-29。这些应力远小于容许的钢筋应力。图11-28

桩筏基础的中轴线弯矩（■——考虑浮力，◆——不考虑浮力）2023/9/144图15-39

桩筏基础的中轴线应力（■——考虑浮力，◆——不考虑浮力）从上述计算分析可见，金茂大厦的桩筏基础的沉降实测与计算沉降是比较接近的；筏板的简便估算应力很小，没有出现裂缝；计算的桩顶反力分布与实测沉降相应。这些表明考虑共同作用的计算方法具有良好的实用性和可行性。2023/9/145五、高层建筑桩筏(箱)基础实测桩顶荷载和筏板钢筋应力在高层建筑，尤其是超高层建筑的桩筏基础设计中，筏厚的确定是一个亟待解决的问题。上海某一饭店，上部结构只不过42层，外方设计的基础要4m；88层金茂大厦桩筏基础筏厚为4m，101层上海环球金融中心桩筏基础筏厚为4.5m，而上海某60层的桩筏基础的筏厚却也要4.5m，目前世界最高828m阿联酋迪拜哈利法大楼桩筏基础筏厚仅仅3.7m。筏厚为什么相差这样大？究其原因，现场实测数据不够充分，且尚没有一个适合于超高层建筑的有效设计规范等等。目前对于高层建筑现场实测数据主要是桩顶荷载分布规律和筏板钢筋应力，下面汇总这方面的实测成果。2023/9/1461.实测的桩顶荷载分布

早在20世纪80年代，同济大学高层建筑与地基基础共同作用课题组就收集国内外桩基基础的桩顶反力实测资料，总结桩顶的反力分布的关系式为桩筏（箱）基础中桩荷载分布，取决于地基条件、基础形状、桩的长径比、桩的刚度和桩距，同一基础长短桩的结合等。

2023/9/1472．实测的筏板钢筋应力我国从20世纪70年代，已经重视高层建筑地基基础现场测试研究，为编制高层建筑箱形基础规范，在中国建筑科学研究院地基所主持下，北京、上海和西安的高校和设计院对箱形基础进行现场实测。20世纪80年代起，在湖北、上海和西安又对桩筏（箱）基础进行现场实测研究，拥有大量有关桩筏和桩箱基础的现场测试资料，现将有代表性的高层建筑的桩筏（箱）基础的钢筋应力的测试数据载于表11-4中。2023/9/1482023/9/149目前，最为关注的是筏板厚度的确定，应满足受冲切承载力的要求，尤其要注意边柱和角柱下板的抗冲切验算。冲切问题要比弯曲和抗剪问题更为复杂，对其破坏机理的试验研究和理论分析至今还未得到令人满意的结果。影响筏板抗冲切强度的主要因素有：(1)基础材料的特性与质量，包括混凝土强度和配筋率等；(2)冲切荷载的加荷面积、形状与板厚；(3)地基土的性状与边界约束条件。2023/9/150第四节高层建筑的桩筏（箱）荷载分担

一、桩筏(箱)荷载分担的现场实测关于桩筏（箱）的荷载分担在设计中能否考虑问题，是一个争论已久的课题。早在上世纪30年代，上海高层建筑根据简单的共同作用原理，已采用地基土能分担老八吨（即80kPa）进行桩基设计。那时，按照这种设计方法设计的大楼，例如，曾有大上海美称的国际饭店，还有，屹立在黄浦江畔的上海大厦，安全无恙，此外，有的建筑还适当增加层数。根据国内外对20余幢高层建筑的桩筏（箱）荷载分担的现场测试结果，选择其中16幢高层和超高层建筑的实测资料载于表11-5中。2023/9/151表11-516幢国内外超高层建筑的桩筏（箱）基础实测荷载分担表序号上部结构基础形式基础尺寸(m)桩长(m)桩数实测沉降(cm)荷载分担比例(％)层数总压力(kN/m2)基础埋深(m)桩径，宽(mm)桩距(m)计算沉降(cm)筏或箱桩1框架11桩筏23556.0×31.013.6516.81800296.9~10.02.070302框剪16桩箱24044.2×12.34.527.0450×4502031.65~3.32.05.617833框剪22桩箱31042.7×24.75.0028.05503441.7~2.002.5<7.020804剪力墙16桩筏19043.3×19.22.513.04503511.601.625755剪力墙12桩箱22925.5×12.94.525.5450×450821.8~2.107.17.928726剪力墙18~20桩箱25029.7×16.72.07.5400×4001831.2~1.3530.0≈3315857剪力墙22桩筏27047.0×25.02.217.0450×4502221.602.215858框筒26桩筏32038.7×36.47.653.06092001.9~1.953.65.325752023/9/152表11-516幢国内外超高层建筑的桩筏（箱）基础实测荷载分担表(续)序号上部结构基础形式基础尺寸(m)桩长(m)桩数实测沉降(cm)荷载分担比例(％)层数总压力(kN/m2)基础埋深(m)桩径，宽(mm)桩距(m)计算沉降(cm)筏或箱桩9剪力墙32桩箱50027.5×24.54.554.0500×5001081.60~2.252.43.5109010框筒30桩筏6252(22×15)2.520.09002×422.70~3.15>4.5257511框筒31桩筏36825×259.025.0900511.92.2406012剪力墙35桩筏6262074m25.028.0450×4506621.5~1.73.04.0158513框筒39桩筏65043×38.813.060.0800

2712.4

1.7148614框筒53桩筏483294013.0030.01300403.8~6D11.0505015框剪60桩筏650≈3100m218.9572.58504133D4.05.0257516框筒64桩筏543345714.0020~351300643.5~6D14.445552023/9/153二、桩筏(箱)荷载分担的计算关于桩筏(箱)荷载分担的计算，早在1989年已提出简易计算公式、半经验-半理论反算公式和理论分析方法。1991年，庄冠民、I.K.Lee和赵锡宏提出一个利用有限元结合统计的实用计算桩筏(箱)分担荷载的公式，计算与实测结果比较相符，见表11-6。六年后，阳吉宝和赵锡宏又提出另一个计算桩筏的荷载分担公式。现汇总其中四个根据共同作用原理提出的计算桩筏或桩箱荷载分担的公式进行分析。

2023/9/1542023/9/1551．方法1——简易计算公式

pp=pt-[pw+(5~10%)p]A

(11-6)式中pp和pt——分别为建筑物荷载和桩分担的荷载；pw——基底的水浮力；p——基底的总压力；A——基底的面积。2023/9/156地下水的浮力问题。水的浮力问题是客观存在的事实，取决于基础的埋深、土的渗透性和地下水位的高低。从20世纪50年代起，曾争论过是否考虑水的浮力，直至《工业与民用建筑地基基础设计规范》(TJ7-74)才正式把浮力列入规范。《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)明确考虑浮力。上海《地基基础设计规范》(DGJ08-11-2