建筑结构 高层建筑桩基础设计分析 摘要：本文作者结合实际工作经验，阐述了建筑桩基础的作用，并对建筑工程常用的几种桩基础类型进行分析，指出了高层建筑 桩基础在设计时需要注意的问题及设计方法。以期参考交流。 关键词：高层建筑；桩基础；灌注桩；设计 桩基础具有整体性好，承载力高和沉降量小、结构布置灵活等优点，在结 夯扩成孔灌注桩是在桩管内增加一根与外桩管长度基本相同的内夯管 构设计中广为采用，尤其在高层建筑中应用更为普遍。桩基础设计桩，指的是 以代替钢筋混凝土预制桩靴，与外管同步打人设训深度，并作为传力杆将锤 设置于土中的竖直或倾斜的基础构件或支护构件，其横截面尺寸比长度小很 击力传至桩端夯扩成大头形，增大地基的密实度。同时利用内管和桩锤的自 多，通常称桩基础为桩基。不过，从严格意义上说，一般工程实践中的“桩”，应 重将外管内的现浇桩身混凝土压密成形，把水泥浆压人桩侧土体并挤密桩侧 该指“桩基”，主要包括桩和桩问土，由桩和与桩顶相连的承台组成。近年来， 的土，使桩的承载力大幅度提高。 为了缓解城市人口增加带来的人均土地减少，市政部门一方面扩大了城市面 积，将原有的近郊开发，提高了城市的土地面积；另一方面，积极进行老城区 三、高层建筑桩基础设计需要注意的问题 改造，通过高层建筑的建设将土地使用率提高。高层建筑物，因其对地基和基 １刚性桩基设计 础的承载能力和变形（竖向下沉及水平位移）的要求较高，大直径、深长或嵌岩 传统刚性桩基是高层建筑基础工程常用的设计方法。设计中根据建筑物 灌注桩，往往成为了高层建筑地基处理的主选方案。 的具体结构情况、工程地质情况以及施工外部条件，确定桩的类型和参数。首 一先，应确定承台埋深和尺寸；然后，确定桩基的类型、数量及平面布置；最后， 、建筑工程中桩基础的作用 验算桩基中各桩所受的荷载是否超过单桩承载力特征值。必要时，应验算群 在高层建筑中，很多情况下建筑场地浅层的土质并不能满足建筑物对地 桩基础的地基强度和沉降量后再进行承台设计。 基承载力和基础沉降变形的要求，而又不适宜采取地基处理措施来提高地基 桩的数量按承台传递的竖向荷载和单桩承载力特征值确定，桩间距一般 承载力和稳定性要求，这时就要考虑桩基础方案。建筑物的基础可以说是整 取３—４倍桩径。现行设计方法是假设承台底面以上的荷载完全通过群桩传 栋建筑之中的关键所在，桩基础具有很多优点，近年来在国内被广泛的应用。 递给地基持力层，不考虑桩间土分担荷载。按轴心受压桩数量ｎ应满足：ｎ≥ 桩支承于坚硬的或较硬的持力层，具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载 （ 十Ｇ），Ｐａ 是作用在承台上的竖向荷载；Ｇ是承台自重及承台上土重量；Ｐａ 力，足以承担高层建筑的包括偏心载荷在内的全部竖向荷载。桩基础具有很 是单桩轴向承载力特征值）。 大的竖向单桩刚度或者群刚度，在自重或相邻载荷影响下，不产生过大的不 ２．减沉桩基设计 均匀沉降，并确保建筑物的倾斜不超过允许范围。凭借巨大的单桩侧向刚度 减沉桩的定义是地基承载力满足设计要求，但沉降量过大。而设置较少 或者群桩基础的侧向刚度及其整体抗倾覆能力，抵御由于风和地震引起的水 量的桩以减少地基沉降，称之为减沉桩。减沉是通过减少地基土中荷载来实 平载荷与力矩载荷，保证ｎ层建筑的抗倾覆稳定性。桩身穿过刚液化土层而支 现的，由于减沉桩设置的数量相对少，减沉后地基的沉降量仍比单桩达极限 承于稳定的坚实土层或者嵌固于基岩，在地震造成浅部土层液化与震陷的情 荷载时的沉降量要大，最终沉降量甚至可达｜６０ｒａｍ以上，而一般单桩达极限 况下，桩基础靠深部稳固土层仍有足够的抗压与抗拔承载力，从而保证高层 时对应的沉降量仅为数毫米，最大也不可能超过３０ｍｍ。所以，减沉桩一般都 建筑的稳定，且不产生过大的沉陷与倾斜。 会达到极限荷载。地基荷载值为：Ａｆ＝ｆｆｏＡ一２ｎＰｕ／３ａ）／Ａ＝ｆｏ一２Ｐｕ／３ａ（△卜设ｎ 二、建筑工程常用的桩基础类型 根减沉桩后地基上承受的荷载值；ｆ 是地基承载力设计值；Ｐｕ是单根减沉桩 设计荷载值；ｎ是减沉桩数量；Ａ是承台面积；ａ是每根减沉桩对应的承台面积， 桩基础的种类较多，在选择时要根据建筑的类型、规模及施工环境综合 为平均桩间距的平方）。 考虑。 ３软土地基处理 １．预制桩 由于软土具有强度低、压缩性大、透水性差等特点，因此在软土地基上修 预制桩是指借助于各种专用机械设备将预先制作好的具有一定形状、刚 建建筑物，必须重视地基基础的变形和稳定问题。地基处理的目的是要提高 度与构造的桩打人、压人或振人土中的桩型。按桩身材料分为钢筋混凝预制 软土地基的强度、降低软土的压缩性、保证地基的稳定性，以减少基础沉降或 桩、钢桩、木桩、组合桩。 不均匀沉降。现行建筑地基处理方法有超载预压法、减少附加应力法、水泥深 （１）钢筋混凝预制桩 层搅拌等方法，每种处理方法都有一定的针对性。地基处理方法选择合理与 钢筋混凝土预制桩具有制作方便、桩身强度高、耐腐蚀性能好、单桩承载 否，将直接影响到建筑物施工的安全、效益和技术可行性。 能力高的优点，但也有价格偏高、打桩噪声大、接桩和截桩困难等缺点。 ｆ２）钢桩 四、建筑桩基承台、联系梁、承台梁、筏板的计算 钢桩分为两种，钢管桩和Ｈ形桩。钢桩强度高、桩身表面积大，截面积小。 １．承台与承台之间一般应设联系梁 在沉桩时贯透能力强且挤土影响小；在饱和软茹土地区可减少对领近建筑物 联系梁的截面尺寸及配筋按下述方法确定：以柱剪力作用于梁端，按轴 的影响。但价格较高，耐腐蚀性较差。 心受压构件确定其截面尺寸，宽度不宜小于２５０ｍｍ，高度一般为承台中心距 ２灌注桩 的１／１０—１／１５；酉己筋则取与轴心受压相同的轴力，按轴心受拉构件计算。在 灌注桩是在建筑工地现场，通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段 抗震设防区，也可取柱轴力的１／１０为梁端拉压力确定截面尺寸及配筋。当联 在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而制成的桩。依照成 系梁上有隔墙时，联系梁按拉弯构件计算配筋，可以把计算的弯矩及轴力输 孔方法不同，灌注桩可分为泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩、沉管灌注桩和成孔灌注 入ＰＫＰＭ计算软件ＧＪ模块Ｊ决速计算。 桩等几大类。 ２．桩承台应满足受弯、受剪、受冲切、局部受压等要求。承台厚度一般由 （１）泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩 受冲切控制，同时柱纵筋在承台内的直锚长度应满足￣ＪＧＪ９４—２００８））４．２．５ 泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩。在成孔过程中，为防止孔壁坍塌，在孔内注入 条，且桩顶纵向主筋锚人承台内的长度应满足（（ＪＧＪ９４—２００８）１４．２．４条。对双柱 制备泥浆或利用钻削的茹土与水混合自制泥浆保护孔壁。护壁泥浆与钻孔的 联合桩基承台，当两柱之间出现负弯矩时。应设置暗梁或者在承台顶部配筋。 土削混合，边钻边排出泥浆，同时进行孔内补浆或补水。当钻孔达到规定深度 ３．当采用桩筏基础时，应注重“变刚度调平”。在荷载较大处布置密桩、长 后，清除孔底泥渣。然后吊放钢筋笼，在泥浆下浇筑混凝土。 桩、较大直径桩，改变桩基刚度使建筑物沉降均匀，从而降低筏板内力及配 （２）夯扩成孔灌注桩 筋。筏板的配筋采用ＪＣＣＡＤ里面的“桩筏筏板有限元计算”模块计算。筏板配 ‘７３。 口日圆圈 建筑结构 五、结语 桩基＿厂程是一项繁重而复杂的过程．．在此过程中，设汁人员应在深刻理 解规范的基础上，注重概念设计，选择合适的桩型。优化桩的布置方式，要正 确合理的使用计算软件，使【 部结构荷载直接、有效、分散的传递到地基土 巾。统筹兼顾，从符方面使之合理化。做到“安全适用、技术先进、经济合理、确 保质量、保护环境”。 参考文献： 筋局部较大时，可合理考虑上部结构刚度。考虑基础和ｌ 部结构共同Ｔ作，使 基础刚度大大增大。从而增大抵抗上二部结构传来不均匀荷载的能力，减少变 形差，减少内力和配筋。 ４．当采ｊ｝Ｊ剪力墙下设置承台梁、承台梁下布桩时，桩应尽量布置在墙下， 以减少承 梁内力及配筋。 承台梁计算经常出现抗剪、抗弯不足，一般都调整承台梁截面宽度、高度 等。在条件允许的情况下，可以把地面以下至承台梁顶面的剪力墙墙肢加长， 使的墙肢之间的距离缩短或者联系起来，增强承台梁与上部剪力墙刚 度。使承台梁与相邻剪力墙共同丁作，使之更有利于承受上部荷载产生的弯 矩、剪力。应注意，承台梁的计算应采用ＪＣＣＡＤ里面的“桩筏筏板有限元计算” 模块 ＿１】张小松探讨桩基础设计中值得注意的问题＿Ｊ７科技信息，２０（）９（（）９） Ｉ２】吴盛有浅谈桩基施工技术设计与施工控制０７中国高新技术企业，２０１ １ ）９） 结构方案是结构设计中非常重要的一环，决定着整个结构设计的质量水 平。初试者难免会走很多弯路，但只要规范熟悉、概念清晰、思路明确，一定能 找到合理有效的途径。在此，以此文与大家共勉。 参考文献： （上接第６（）页）加强，并对位于较不利位置、受荷面积较大的短肢剪力墙按短 肢剪力墙较多的规定进行加强。 ３结语 从结构设计师的角度，安全比经济更重要，但经济指标也是评价Ｉ 程设 计的熏要指标，在市场经济条件下，业主的经济效益也需要充分的理解。不同 的结构体系设计反映在经济指标上有较大的差异，表１为前述工程不同结构 体系的经济技术指标对比。 表１三种结构体系经济技术指标对比表 异形柱框架剪力 墙结构 少薰异形柱剪力 墙结构 【１ Ｊ ＧＢ５｛）（）１１２２｛）１１建筑抗震设计规范 ［２］ＪＧＪ３ ２０１０高层建筑混凝土结构技术规程 【３］ＧＢ５０｛）１０ ２０１０混凝土结构结构设计规范 结构（纯剪力境 结 （上接第６３页）震学术界之间，不断进行着广泛而深刻的合作，取得了比较明 的成果，不少先进的研究成果仍然缺乏实际运用。广大的建筑设计者在进 行设计时，要考虑到建筑的抗震功能，从建筑的选址到建筑结构的定型，对建 【２１张斌。王志玮多层砌体结构房屋抗震设计田价值工程，２０１１（２Ｄ ［３】吴大群王春吴金国考虑近断层脉冲壁地震动影响的抗震设计方＂￣ｔｌｌ科技 信息，２０１０（１（）） 筑进行详细的力学分析，以位移的考虑方法解决建筑在地震中构件变形的问 题，利用新型的抗震建材，采用先进的施工工艺，不断提高建筑的抗震功能。 参考文献 【４］肖爵娜浅谈建筑结构的抗震设计方法Ｕ Ｊ＿民营科技，２０１１。（ｏ５） 【５】丁柏峰关于有效提高建筑絮构抗震性能措旅的分析探讨 黑龙江科技信 息，２０１｛），（２５） 『１］张海民。孔德领基于位移的高层建筑结构防震设计分析ｌＩＩ＿黑龙江科技信 息２００９，（１３） ｌ６ｌ侯伟堆提商建筑物抗震性能措施探讨 科技风，２０１｛｝，（１１） （上接第７１页） 现在建筑设计为了追求采光及通透性，经常在建筑角部设 ｄ）埘于截而较高的连梁，通过连梁设水平缝，将・道高度为ｈ连梁设罱为 两道高度为ｈ／２的连梁，从而减小刚度，避免承担过多的地震力。 ２）提高连梁抗剪承载力； ａ置转角窗。但转角窗在结构角部设置转角洞口，对主体结构的抗扭性能影响 大，容易造成地震中的结构扭转破坏，所以在结构设计中要对转角窗位置特 别注意，采取有效加强措施： ）提高混凝土强度等级。 １）宜提高角窗两侧墙肢抗震等级 ２）加强两端暗柱配筋，特别是箍筋 ３）在板内设置暗梁，提高整体性 ４）转角窗房间的楼板宜适当加厚、板配筋采用双向双面设置 ５）抗震计算时应考虑扭转耦联的影响 ６）加强角窗窗台连梁的配筋及构造 （２）连梁抗剪强度不足问题 ｈ）当连梁破坏埘承受竖向荷载无大影响时，可芎虑在大雀作用下该联肢 墙的连梁不参与Ｔ作，按墙肢进行第二次结构内力分析（第二道防线）， 墙肢应按两次计算所得的较大内力配筋。即可将超筋部位连梁两端按铰接处 理进行整体计算，但应注意，按此方法处理后计算结果层问位移比尚须满足 规范要求，连梁满足ｒ警向承载力要求即 ・ ，施工时仍为整浇，上部钢筋按构造 设置 连梁抗剪强度不足是剪力墙结构设计经常小现的问题，破坏时产生脆性 结束语： 采用剪力墙结构的高层建筑适应了人们对生活水平提高的要求，适应了 经济发展的步伐，在城市建设的过程中越来越多的高层建筑采用ｒ剪力墙结构 形式。在剪力墙结构的设计过程中，严格遵守设计和规范的要求，特别注意高层 建筑混凝土剪力墙技术控制要点，设计Ⅲ更加安全．适用．耐久的高层建筑。 的剪切破坏，不符合规范的强剪弱弯要求，也不能形成作为第一道耗能防线的 弯曲破坏。遇到这种情况，应从两方面着手解决： １）降低连梁刚度，调整结构布置减少该连梁承担的地震作用； ａ）调整结构布置，使水平荷载分配合理，从而减小连梁承受的剪力。 ｈ）对连梁刚度折减，通过调整连梁刚度折减系数来调整连梁承受的剪 参考文献 力． 、［１］郭兆伟．高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析 建材技术与应 ｃ）调整连梁高度和洞口宽度，从截而上调整连梁刚度。 用，２０１１（１） ‘７４。
