关于大底盘建筑结构的设计

关于大底盘建筑结构的设计

何旺

深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广东深圳518000

摘要：改革开放以来，随着国家经济的不断增长，建筑业在我国发展迅速，在这阶段，出现了很多新型现代化建筑。几十层的建筑也不再是人们关注的焦点。甚至出现了这样一个现象，城镇建设呈现出高层或多层建筑群与深大基础地下空间整体建设的开发模式。本文采用模型试验及工程测试结果验证的分析方法研究大底盘基础结构荷载传递特征，通过对基础结构底板的弯曲、剪切、冲切验算结果进行分析，提出大底盘基础结构设计的控制要素，供同行参考。

关键词：大底盘基础；建筑结构；荷载传递特征；共同作用；基础设计

1、考虑共同作用分析的基础设计计算方法

通过模型试验、工程实测验证的计算分析方法应按如下步骤进行：

1）地基承载力验算。

大底盘基础结构的基底压力计算，应采用荷载的准永久组合（不考虑风荷载和地震作用）的共同作用计算得到的地基反力按线性叠加原理换算为标准组合的地基反力值，再叠加不考虑地基变形、仅按主体结构基础底面积分担的风荷载和地震作用的地基反力值，进行地基承载力验算。其共同作用计算结果应符合本地区地基变形特征和实际的地基反力分布特征。对于大底盘基础结构，由共同作用分析可知，核心筒部位的地基反力值最大，但小于主体结构的平均地基反力值。允许的地基承载力深度修正值按其不同的约束边界条件取扩大的地下结构自重荷载换算的土层厚度进行计算。

2）基础沉降变形分析。

基础沉降变形分析应按荷载的准永久组合（不考虑风荷载和地震作用）的共同作用计算得到。可分为基础筏板尚未形成结构刚度的地基土回弹再压缩变形、地基作用荷载小于等于基坑开挖土层重力荷载的回弹再压缩变形和地基作用荷载大于基坑开挖土层重力荷载的固结变形3个部分叠加得到。

对于整体大面积基础上建有多栋高层建筑的情况，相邻高层建筑的间距大于20m，其沉降变形分析可不考虑相邻建筑的影响，基础沉降量及主体结构与相邻地下结构的沉降差可按仅外挑1跨的大底盘结构共同作用分析得到，其他复杂组合情况应考虑相邻结构的影响，进行整体变形分析。该项计算结果控制了由外挑结构引起的上部结构荷载引起的基础结构内力，同时对基础结构的底板刚度验算起控制作用，应满足主体结构基础整体挠曲度（主体结构中部与端部沉降差/主楼结构长度）值小于等0.5‰，主裙楼相邻沉降差小于等于柱跨的1‰的变形要求，否则应调整基础底板厚度，重新计算，或采取地基处理，增大地基刚度或采用桩基础。

3）基础结构设计。基础结构内力分析应考虑基础结构施工顺序及地基变形特点分阶段计算叠加得到：

阶段1，按荷载作用的准永久组合（不计风荷载和地震作用）进行共同作用分析，得到考虑基础沉降影响的结构内力。基础沉降计算的修正系数应在最终结果中反映，否则将影响内力分析结果。此时的基础结构内力分析可分为基础筏板尚未形成结构刚度、地基作用荷载小于等于基坑开挖土层重力荷载和地基作用荷载大于基坑开挖土层重力荷载3部分进行计算，将计算结果进行叠加即为基础结构内力最终值。

阶段2，由阶段1计算分析得到的地基反力分布形态换算为荷载的标准组合值产生的基础结构内力，叠加不考虑地基变形、仅按主体结构基础底面积分担的风荷载和地震作用的基础结构内力。这与传统的结构分析方法相同。

阶段3，阶段1和阶段2计算的基础结构内力按荷载类型（永久荷载或可变荷载）分别判定最不利工况下各构件控制截面的内力值，乘以相应的分项系数，进行基础结构刚度、承载力和配筋设计。此时，阶段1计算的工况为考虑基础沉降及整体挠曲的内力，阶段2计算的工况应与原基础结构内力分析的最不利荷载组合计算结果相匹配。并按上述分析的最不利荷载组合的基础结构构件内力验算截面尺寸、材料强度和配筋。

2、大底盘基础结构荷载传递特征

为了分析大底盘基础结构的荷载传递特征，以3×5跨高层框架-核心筒结构为例进行大底盘基础结构的计算分析，结构计算模型见图1。该结构柱距为8m，基础筏板厚度为1.5m，筏板沿结构周边挑出1倍板厚。地下结构为2层，地上结构为20层，层高3m，基础筏板混凝土强度等级C30。地下2层底板标高-7.0m。

图1大底盘框架-核心筒结构计算模型

框架柱截面尺寸为800mm×800mm，框架梁截面尺寸为600mm×300mm，楼板厚度为200mm，剪力墙厚度为200mm。0.1~0.2MPa下的地基压缩模量取为10MPa，0.2~0.3MPa下的地基压缩模量取为15MPa，考虑回弹再压缩变形地基回弹再压缩模量取为25Mpa。

为保证计算的地基反力与输入的地基刚度对应的基底反力相匹配，满足偏差小于10%的精度要求，对其进行迭代计算，一次迭代结果即可满足要求。

计算结果见图2、图3及表1、表2

图22层地下室外挑1、2、3跨○B轴沉降、反力曲线

图32层地下室外挑1、2、3跨核心筒横向边轴②、⑤沉降、反力曲线

注：、、表示2层地下室分别外挑1、2、3跨的核心筒横向边轴的沉降；、、表示2层地下室分别外挑1、2、3跨的核心筒横向边轴的反力；2层地下室分别外挑1、2、3跨的挠曲度f横向分别为分别为2.25%00、2.25%00、2.24%00。

对于相同地下埋深，随地下室外挑尺寸的增大，主体结构基础的变形形态、基底反力的分布形态接近，基础结构纵向变形呈“盆形”，纵向基底反力分布亦呈“盆形”；主体结构基础的挠曲度接近；随外挑尺寸的增加，在外挑1跨、2跨、3跨情况下基底反力向外扩散的范围增大，但核心筒范围的反力大小接近；不同外挑跨数的结构，核心筒范围的地基变形大小接近；基础的纵向挠曲度由2.94减小为2.79，横向挠曲度由2.25减小为2.24，基础挠度值随外挑跨数的增加而略有减少。相同上部结构，3层、4层地下结构的共同作用分析结果与2层地下结构的分析结果，地基变形及基底反力的分布形态一致，但随基础埋深增加，地基变形减少，基底反力增大。

注：2层地下室分别外挑1、2、3跨的挠曲度f纵向分别为2.94、2.83、2.79。

大底盘基础结构变形及基底反力分布的影响范围最多为3跨，主要影响因素为地基刚度（不同压缩模量）、基础刚度（筏板厚度）、上部结构刚度（裙房或地下室层数、外挑跨数）。

由2层地下结构的分析结果可得，核心筒部分基底反力值为平均反力值的73%，主体结构纵向外框柱位置基底反力为平均值的53.6%，横向外框柱位置基底反力为平均值的113.2%。与单体结构相比，大底盘结构基础的沉降量减少；相同基础埋深条件下，核心筒部分的基底反力值接近，扩大部分分担了原单体结构筏板边端的反力。2层地下室外挑1、2、3跨轴○A○B柱轴力计算结果见表3。由表可知，相同基础埋深而不同外挑跨数的大底盘基础结构的柱端部内力变化不大，共同作用分析时，可将共同作用的结构模型简化为外挑1跨的基础结构，不影响主体基础结构的分析结果。

计算结果（表4）表明，在竖向荷载作用下，考虑地基变形影响的大底盘基础结构内力分析结果，由于基础筏板外挑，基础刚度发生了变化，使得结构荷载在柱下端部的内力值也发生了变化。不考虑地基变形时，基础结构核心筒部分分担的竖向荷载为总荷载的56%，考虑地基变形影响的核心筒部分分担比为48%，外框柱的轴力明显增大，但主体结构柱传递的竖向荷载与主体结构总竖向荷载基本一致；仅沿基础纵向外挑时，基础挠曲度由原纵向1.6、横向2.6，变为纵向2.9、横向2.2；同单体结构的结果相比，主体结构的角柱内力增大7.5%，纵向边柱内力增大26.2%，横向

边柱内力减少11.1%；柱端剪力、弯矩在纵向均有增加。相对于仅纵向外挑（计算模型1～3）的结果，双向外挑（计算模型4，见图4）的部分柱底沉降及柱底反力的计算结果见表5、表6。

图42层双向外挑1跨地下室大底盘3×5跨框架-核心筒结构（模型4）

由表5、6中2层双向外挑1跨的地下室基础结构计算结果可知，核心筒部分反力进一步降低，约为主体结构总反力的41.5%；核心筒部分基底反力为反力平均值的71.1%，主楼边跨处基底反力为反力平均值的53.1%（横向为59.3%）；与单体结构考虑地基变形影响的结果相比，角柱轴力增大20.6%纵向边柱轴力增大11.3%，横向边柱轴力增大10.8%～13.5%。

通过上述计算分析，得到大底盘基础结构的主体结构的底板整体挠曲度见表7，荷载传递变化特征结果见表4。

由计算结果可知，大底盘基础结构的主体结构的底板整体挠曲度在不同方向外挑时变化不同，总的变形特征是在具有外挑结构的方向上主体结构的底板整体挠度增加；基础结构轴力在不同方向外挑时表现为核心筒轴力向外框柱转移。

表8列出2层基础结构的主体结构底层柱轴力及基底净反力的计算结果。可知大底盘基础结构与单体结构的荷载传递特性明显不同。由计算结果可知，在大底盘基础结构的主体结构荷载重分配过程中，主体结构总荷载保持不变；与考虑地基变形的单体结构相比，核心筒承担的竖向荷载减少，荷载向外框柱转移；具有外挑基础结构的一侧主体结构外框柱轴力增大，仅纵向外挑时，角柱轴力增大7.5%，纵向边柱轴力增大26.2%，横向边柱轴力减小11.2%（5.5%，中间位置）；双向外挑时，角柱轴力增大20.6%，纵向边柱轴力增大11.3%，横向边柱轴力增大10.8%～13.5%。相比不考虑地基变形的分析结果，考虑地基变形工况下与基础板连接的柱端剪力、弯矩均有增加，设计时应充分考虑其对基础结构构件验算的影响。

注：基底净反力为基底反力计算值扣除筏板自重应力。双向外挑模型柱号对应图4中的Z19、Z20、Z18、Z11、Z12、Z10，仅纵向外挑及单体结构模型柱号对应图1a中的Z11、Z12、Z10、Z3、Z4、Z2。

3、大底盘基础结构

筏板控制设计表9为2层地下室外挑1跨大底盘基础结构的主体结构部分与单体结构冲剪验算的筏板厚度结果对比。由计算结果可知，对于单体结构基础筏板的冲切验算结果，筏板厚度由核心筒部分筏板冲剪控制；对于大底盘基础结构，由于冲剪破坏锥体形状发生了变化，筏板冲剪验算表明，核心筒、角柱、边柱部分筏板厚度的需求较均衡，核心筒、角柱筏板厚的需求趋于均匀。考虑弯矩影响，大底盘基础结构筏板冲剪计算所需的筏板厚度与单体结构相当。

注：1）计算的竖向荷载分项系数取1.35；2）按冲剪计算的实际破坏锥体形状，单体结构角柱、边柱分别取1.2、1.1的荷载放大系数，大底盘基础结构外挑后取实际破坏锥体，取荷载放大系数1.0；3）双向外挑模型横向边柱柱号对应图4中的Z11、Z12，仅纵向外挑及单体结构模型横向边柱柱号对应图1a中的Z3、Z4。

图5为2层地下室单向外挑1跨裙房大底盘基础结构的主体结构部分筏板弯矩计算结果，可知，考虑基础变形影响的筏板整体弯矩与单体结构接近（大底盘基础结构筏板最大弯矩值4927kN•m，单体结构筏板最大弯矩值4685kN•m），主裙楼相邻位置的弯矩明显增大（大底盘基础结构相邻位置3024kN•m，单体结构边缘位置520kN•m）。

图52层地下室外挑1跨裙房大底盘结构筏板弯矩（单位：kN•m）

4、结束语

综合上述，基础结构基底反力、地基变形及基础结构内力分析结果，可知大底盘基础结构的基底反力分布与单体结构不同，基础挠曲变形增大，应加以控制；基础筏板冲剪验算的筏板刚度需求趋于均衡；主裙楼连接部位的弯矩较大，是基础结构挠曲变形、弯矩的控制工况。

参考文献：

［1］JGJ6—2011《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011．（JGJ6—2011）.

［2］郭天强．框架下筏式基础的反力及其在极限状态下的性状［D］．北京：中国建筑科学研究院，1988：40-56．

［3］贺润丰大底盘多塔异性柱框架结构设计分析《低碳世界》[J]2015（2）

［4］张国印大底盘多塔楼结构施工过程的难点解析《山西建筑》[J]2015（8）