高层建筑结构桩基础与抗震性设计分析

高层建筑结构桩基础与抗震性设计分析

徐利华

中天伟业（北京）建筑设计事务所有限公司兰州分公司甘肃兰州730000

摘要：城市建设主体为高层建筑，为了提高高层建筑建设质量及功能，应确保建筑基础稳定性，并能承载水平与竖向荷载作用力，同时施工工艺对建筑工程的基础稳定性、承载特性及差异沉降也提出了很高的要求。本文以高层建筑结构桩基础与抗震性设计为中心，研究了桩基础优化设计与抗震设计的措施、理念及方法。

关键词：高层建筑；结构；桩基础；抗震性设计

随着现代工程建筑规模的不断扩大，其结构形式也在不断更新变化，高层建筑也越来越多。而施工中的难点、疑点等问题也在不断增多。高层建筑重心高，在风和地震水平荷载作用下会产生巨大的倾覆力矩，故对基础的承载力、稳定性和差异沉降提出了很高的要求。所以对于高层建筑基础设计中的一些问题，还需要深入进行研究。现场实测和模型试验均证明结构桩基础的地基反力，既不是直线型分布，也不符合弹性地基理论的计算结果。

1高层建筑结构桩基础设计及应用分析

1.1桩基础设计及其应用现状

在高层建筑施工中，为确保建筑工程稳定性及安全性，需要高度重视其工程基础施工质量，确保基础施工参数可以满足工程安全运营的要求。高层建筑其承受的荷载属于动力荷载，其基础受力状况十分复杂，确保建筑基础可以提供较大的水平及竖向负载能力是保障工程安全性的重要基础。在高层建筑结构基础施工中多会选择应用竖向荷载作用下的桩，为工程提供良好承载平台。然而竖向荷载作用下的桩基础在应用中，其桩与土之间的相互作用对桩基设计与工程基础施工存在着较大影响。在基础正式施工之前，需要对桩基工程进行试桩设计，确保其设计结果满足静载试验结果。如其设计与试验结果存在冲突，则要求进行设计参数调整，进行桩基设计图纸修改，如改变桩基础设计密度，虽然这种方式可以满足桩基施工要求，但不利于工程施工效益最优化。如桩基础应用超出试验结果较大，则需要进行二次试桩操作，影响工程施工进度。为此，在建筑工程施工中要求解决试桩设计与静载试验结果偏差较大问题。

1.2优化高层建筑桩基础设计

高层建筑其受力复杂性要求基础可以提供有效荷载及支撑，其基础埋设设计较深，较为典型的设计多为人防工程或地下车库等地下室。建筑基础工程其材料用量大，施工过程复杂，且施工周期较长，基础施工技术指标，直接影响工程整体效益。在高层建筑工程实际施工作业时，受工程施工地质因素限制，大部分基础建筑无法直接安排在坚硬岩石中，多采取箱型基础、片筏式基础与桩基础。桩基础属于高层建筑施工中应用最为广泛的基础形式，其本身具备着稳定性良好、承载力大，实际沉降量低等优势，动荷载承受性能突出。

在传统高层建筑桩基础设计时，其所依据的设计计算理论，多缺乏对高层建筑物上部与下部之间的相互问题进行考虑，回避了桩-土-结构之间相互影响的分析，如在研究地基反力系数土体对桩的反力作用等因素时，其理论假设单纯的反力系数形成于桩上，没有对桩土相互作用所体现的力学机制进行深入研究。然而在高层建筑工程中，需要确保将桩—土—结构三者作为一个完整的整体进行全面考虑。为此，提出高层建筑桩基础优化设计，具体可以通过应用有限元分析法进行综合分析，构建有限元模型并增加相关参数及因素，可以对多种因素及因素之间的相互作用进行体现，如土体材料空间差异性、边界条件及力学响应非线性等。此外，可以应用数值技术进行模拟，找出复杂耦合因素，可以对桩基础计算与设计进行优化。

2高层建筑结构抗震性设计分析

2.1抗震设计措施

在抗震设计中，从概念设计，抗震验算及构造措施等三方面入手，在将抗震与消震（结构延性）结合的基础上，建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法，直至进一步通过一些结构措施（隔震措施，消能减震措施）来减震，即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且，强柱弱梁，强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。

2.2抗震设计理念

我国《建筑抗震规范》（GB50011-2001）对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求，“三水准”即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构处于弹性变形阶段，建筑物处于正常使用状态。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能出现一定程度的破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，结构虽然破坏较重，但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。三个水准烈度的地震作用水平，按三个不同超越概率（或重现期）来区分的：多遇地震：50年超越概率63.2%，重现期50年；设防烈度地震（基本地震）：50年超越概率10%，重现期475年；罕遇地震：50年超越概率2%—3%，重现期1641—2475年，平均约为2000年。

对建筑抗震的三个水准设防要求，是通过“两阶段”设计来实现的，其方法步骤如下：第一阶段：第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，满足强度要求；第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角，使其不超过抗震规范所规定的限值，从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段：采用与第三水准相对应的地震动参数，计算出结构（特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节）的弹塑性层间位移角，使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。

2.3抗震设计方法

我国的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定：高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法；除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱方法；特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

3结语

综上所述，高层建筑工程因其体量及高度等特征，要求建筑基础提供有力的承载及稳定性，为确保建筑基础性能，多在高层建筑施工中采取桩基础形式，以提高建筑基础等效面积，提高基础对上部结构刚度及承载性。为确保高层建筑在面对地震荷载时能够确保建筑安全性，对其抗震性设计进行研究。重点分析抗震设计、抗震理念及抗震设计方法。实践证明，在高层建筑结构中采取合理的桩基础，综合考虑区域地质及实际情况，合理设计建筑结构延性，做好建筑抗震性设计，能够有效确保建筑工程整体质量，确保高层建筑在面对地震作用及其他荷载作用下，保障建筑安全性与稳定性，实现其设计价值。

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作者简介：

徐利华（1983-）女，工程师，研究生学历，毕业于兰州理工大学，结构工程专业，主要从事结构设计工作。