高層建筑整體式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的不均勻沉降問(wèn)題研究

高層建筑整體式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的不均勻沉降問(wèn)題研究

1整體式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由于高層建筑中服裝地板的高差、負(fù)荷差和結(jié)構(gòu)剛性差，高層建筑容易導(dǎo)致大的差異，這會(huì)對(duì)地面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,不均勻沉降問(wèn)題是非常重要的問(wèn)題和難題之一。解決不均勻沉降問(wèn)題傳統(tǒng)的做法是在主樓和裙房毗鄰處設(shè)置沉降縫,采用雙柱、雙墻等措施將結(jié)構(gòu)斷開(kāi);或者主樓和裙房之間設(shè)施工后澆帶,主樓和裙房在施工期間可自由沉降。實(shí)踐表明,這二種方法仍存在一些問(wèn)題,如處理不當(dāng),不均勻沉降仍帶來(lái)難以解決的后續(xù)問(wèn)題,而且防水問(wèn)題也難以很好解決。隨著人們對(duì)地下空間利用的需要以及建筑功能多樣化的要求,現(xiàn)在一般要求主樓和裙房之間不設(shè)縫,而將不同功能的建筑同建在一個(gè)大的空間底盤(pán)上進(jìn)行整體式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。這類(lèi)基礎(chǔ)由地下室框架和筏板組成,簡(jiǎn)稱(chēng)框-筏。它能夠提供一個(gè)大的空間(如停車(chē)庫(kù)),在底盤(pán)上能創(chuàng)造一個(gè)較為寬松的使用空間或共享空間,從而滿(mǎn)足了投資者多功能的使用要求。而這種大底盤(pán)的框-筏基礎(chǔ)能否較好解決不同功能的建筑單體的連接以及在允許不均勻沉降前提下如何合理確定筏板厚度成為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面研究的文獻(xiàn)極少。經(jīng)過(guò)對(duì)高層建筑基礎(chǔ)筏板厚度的調(diào)查表明,目前基礎(chǔ)筏板厚度的設(shè)計(jì)取值相差很大,往往力求安全,造成浪費(fèi)。整體式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于確定合理的筏板厚度,筏板過(guò)薄則無(wú)法抵抗主裙樓的不均勻沉降,筏板過(guò)厚則使造價(jià)大幅度增加,因此研究筏板厚度的變化與不均勻沉降的關(guān)系對(duì)于工程設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的將高層建筑、基礎(chǔ)和地基三者分割開(kāi)來(lái)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以適應(yīng)實(shí)際的要求,只有利用高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作用理論進(jìn)行計(jì)算才能得到合理的結(jié)果。本文將利用共同作用分析方法,從控制基礎(chǔ)不均勻沉降角度出發(fā),探討筏板厚度隨荷載差異(上部結(jié)構(gòu)層數(shù)差)、裙房挑出跨度情況的變化關(guān)系:在對(duì)中硬地層地區(qū)地質(zhì)情況下進(jìn)行理論計(jì)算,得到一些有益的結(jié)論。2理論計(jì)算模型2.1荷載與剛度耦合問(wèn)題的建立在帶裙房高層建筑考慮共同作用的筏板沉降理論計(jì)算模型中,上部結(jié)構(gòu)采用三維空間模型,基礎(chǔ)筏板采用四邊形中厚板有限元模型,地基采用有限壓縮層地基模型,采用空間子結(jié)構(gòu)法將荷載與剛度凝聚,考慮接觸面上的結(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào),建立理論方程:[KB+K+KS]{U}={Q}+{SB}(1)[ΚB+Κ+ΚS]{U}={Q}+{SB}(1)式中{U}為基礎(chǔ)位移向量,KB為上部結(jié)構(gòu)的等效邊界剛度矩陣,SB為等效邊界荷載向量,K為基礎(chǔ)剛度矩陣,Q為基礎(chǔ)的荷載向量,Ks為地基剛度矩陣。通過(guò)此方程求解和回代就可得到基礎(chǔ)沉降、基礎(chǔ)內(nèi)力、地基反力、上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力等數(shù)據(jù),從而進(jìn)行共同作用分析。2.2rlr2式在工程上常常采用基礎(chǔ)縱向相對(duì)彎曲θr來(lái)描述基礎(chǔ)的差異沉降,相對(duì)彎曲θr一般按下式計(jì)算:θr=ΔωrLR(2)θr=ΔωrLR(2)式中:Δωr為基礎(chǔ)差異沉降;LR為基礎(chǔ)長(zhǎng)度。較大的θr不僅會(huì)引起結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)力發(fā)生改變,而且會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)中的磚墻等非受力部件發(fā)生諸如開(kāi)裂等破壞,影響建筑物的正常使用;而太小的θr又必然要求基礎(chǔ)剛度過(guò)大,提高基礎(chǔ)造價(jià),因此,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)使θr保持在合理范圍內(nèi)。根據(jù)理論的計(jì)算分析以及實(shí)際工程的測(cè)試研究,認(rèn)為θr≤0.8‰是能夠保證基礎(chǔ)正常工作的彎曲值。3計(jì)算場(chǎng)景和結(jié)果分析3.1結(jié)構(gòu)體系及結(jié)果分析在工況計(jì)算中以北京地區(qū)地質(zhì)情況為例(見(jiàn)表1),簡(jiǎn)化假設(shè)地基土分布均勻;分別考慮裙房挑出一跨、挑出二跨情況下,隨主-裙樓層數(shù)的差異變化,基礎(chǔ)筏板抵抗不均勻沉降的能力。裙房挑出二跨結(jié)構(gòu)平面見(jiàn)圖1,①～⑥軸為主樓;在結(jié)構(gòu)體系中,取柱距8m,主樓框架柱截面1200×1200mm,裙房框架柱截面500×500mm,框架梁截面400×800mm,次梁截面300×600mm;地下室一層,樓面板厚度150mm,層高5200mm;地面裙房二層,樓面板厚度120mm,層高3600mm;標(biāo)準(zhǔn)層樓面板厚度120mm,層高3300mm;結(jié)構(gòu)荷載約15kN/m2,筏板砼取C30。本文在對(duì)數(shù)值結(jié)果的分析中,以θr≤0.8‰為控制量來(lái)研究筏板的厚度T隨層數(shù)差n以及裙房挑出長(zhǎng)度的變化關(guān)系。本工程算例中,θr=0.8‰所對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)允許差異沉降值(按(2)式計(jì)算)見(jiàn)表2。3.2u3000邏輯關(guān)系式t計(jì)算結(jié)果以表格形式給出,表格中表達(dá)了筏板厚度T隨上部結(jié)構(gòu)層數(shù)差n的變化情況。裙房挑出一跨情況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,裙房挑出二跨計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表3、表4,可繪制筏板厚度T與主-裙房層數(shù)差n之間的關(guān)系圖,見(jiàn)圖2、圖3;回歸關(guān)系式見(jiàn)式(3)、(4)。T=?????0.1n?10.05n?0.20.4n≥1612≤n＜16n＜12(3)T=?????0.2n?3.6115n?230.4n≥2216≤n＜22n＜16(4)Τ={0.1n-1n≥160.05n-0.212≤n＜160.4n＜12(3)Τ={0.2n-3.6n≥22115n-2316≤n＜220.4n＜16(4)3.3采用有限元公式進(jìn)行密度比較目前,有關(guān)框-筏基礎(chǔ)整體設(shè)計(jì)的工程實(shí)測(cè)資料很少,本文從下面相近例子來(lái)說(shuō)明結(jié)果分析的合理性。在國(guó)外,對(duì)于片筏基礎(chǔ)的實(shí)測(cè)研究并不多見(jiàn),實(shí)測(cè)資料較為完整的當(dāng)推美國(guó)的Focht等人對(duì)美國(guó)休斯頓市的獨(dú)特殼體廣場(chǎng)大樓(OneShellPlaza)的實(shí)測(cè)結(jié)果。美國(guó)休斯頓獨(dú)特殼體廣場(chǎng)大樓的片筏基礎(chǔ)平面尺寸為52.46m×70.76m,筏厚2.52m,埋置在街面下18.3m,地面是一幢52層鋼筋混凝土高層建筑,地下為四層停車(chē)場(chǎng),地下室裙房挑出6.1m;其地基土主要是夾有砂層的堅(jiān)硬的超固結(jié)粘土,建筑場(chǎng)地下61m以?xún)?nèi)的土層基本上是均勻的。對(duì)該大樓的觀(guān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)8年之久,通過(guò)對(duì)于筏基的不均勻沉降差值的觀(guān)測(cè),算得片筏的縱向彎曲θr=0.85‰。用本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果所得數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)估算筏板厚度,通過(guò)比較,地基情況較接近,裙房挑出6.1m較接近挑出一跨情況,用式(3)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在數(shù)值計(jì)算中,我們考慮的是6m左右的埋深,而該大樓埋深為18.3m,由于補(bǔ)償原理,我們知道相應(yīng)作用在基底的壓力減少,故將埋深相應(yīng)換算成結(jié)構(gòu)層數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算中設(shè)土的重度為18kN/m3,結(jié)構(gòu)樓層重量為15kN/m2,計(jì)算過(guò)程如下:埋深差:18.3-6=12.3(m);挖土重量:12.3(m)×18(kN/m3)=221.4(kN/m2);土重折換為結(jié)構(gòu)層數(shù):221.4/15=14.76(層)≈15(層);折換后層數(shù)層:n=52-15=37(層);代入n>16時(shí),T=0.1n-1=0.1×37-1=2.7(m);我們知道計(jì)算結(jié)果T=2.7m所對(duì)應(yīng)的θr=0.8‰,而該大樓實(shí)際T=2.52m所對(duì)應(yīng)的θr=0.85‰,可見(jiàn)公式的計(jì)算結(jié)果是符合實(shí)測(cè)結(jié)果的。4舞房制備的影響(1)從控制基礎(chǔ)不均勻沉降角度