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摘要：本文介绍了高层建筑地基基础的工作特征，探讨了高层建筑结构基础设计的优化策略，以期为提升我国高层建筑结构设计水平作出贡献。
关键词：高层建筑；桩筏基础；优化设计
一、桩箱（筏）基础的工作特征
众多文献〔1，2，3〕的实测结果表明，一般矩形基础板下的满堂桩的桩顶反力呈角桩大、边桩居中、内部桩小的“倒盆底”形分布特征。刚性承台下的群桩的弹性理论分析也给出同样的结论。理论分析表明，桩箱（筏）基础无疑对减少基础沉降有着明显的效果，但对某一基础来说，当桩长或桩数超过一定限度时，再增加桩长或桩数，其减少基础沉降的效果就大为逊色。同样，当箱基底板或筏板厚度超过某一值，再加大其厚度，对建筑物的有利影响也大为减弱。如此看来，很有必要探讨一下桩箱（筏）基础的优化设计问题。
文〔4〕通过试验和数值计算分析，提出桩箱（筏）基础的整体相对刚度 K可由下式确定：
式中 W p 为桩间距；A为底板面积；V r 为箱（筏）基材料泊松比；W p 为单位荷载下单桩沉降；t r为底板（筏板）厚度；E r 为箱（筏）基材料弹性模量。
据（1）式可将桩箱（筏）基础按相对刚度 K的大小分为四种状态：
通过建筑物现场实测资料分析和理论推导，文献〔1〕给出一个计算高层建筑桩箱（筏）基础在建筑物竣工时沉降量的半经验半理论计算公式
式中 S为建筑物竣工时的沉降；P 为建筑物的荷载；B e 为基础的等效宽度，B e = A；E 0 为桩土共同作用的弹性模量，取桩长范围内土的平均压缩模量 E 1- 2 的三倍；V s 为桩土共同作用的泊松比，取 0.35～ 0.40；n，d分别为桩数和桩径；C为桩基的沉降系数，查表得；A e 为基础面积 A减去群桩的有效受荷面积，即
K d 在上海地区取 1.5；m c 为桩基沉降修正系数，对中长柱取 0.15～ 0.18。笔者通过定性研究和计算分析，认为当桩长大于 30m时，式（2）中的 C值可用下式计算。
式中 L 为桩长。
上述这些研究，为桩箱（筏）基础的优化设计创造了有利条件。
二、高层建筑结构基础设计的优化策略
为了优化建筑结构基础设计，满足安全性、经济性、功能性、环保性的要求，结合基础设计的实际情况，笔者认为可以采取以下策略。
1、建筑基础方案选择
建筑基础合理布置及选型一直是整个建筑结构的关键。即使是同一种场地地基，在基础形式上可供选择的余地很大。一般而言，建筑工程造价与施工难度直接与其所选基础形式有关。因此，对于基础形式的选择，应以多层次、全方位、综合性考量为基础，对最佳目标予以科学选择。（1）将现有岩土工程勘查资料作为分析依据，在对建筑基础形式及布局进行研究中，要对场地工程地质情况、场地动力学参数、地基承载力、岩石物理学性质及地下水位等因素进行综合考量，对现有资料进行科学分析，再结合上部结构形式，以编制最佳设计方案。（2）在对基础布局及形式予以选择时，还需要结合其与上部结构间相互作用情况予以考量。一般而言，在进行建筑结构设计时，通常会将二者分离开来分别考虑及进行动力分析。但由于此种方案在现实执行中存在诸多缺陷，通过计算获得的基础沉降量及基底应力与实际测量值之间差异很大。因此，在对基础布局及形式予以选择时，不能将基础问题与上部结构分离开来进行，还需要对二者间相互作用因素考虑进去。以二者间相互关系入手，在进行结构设计时，应对其次应力、开裂等情况予以考量，避免此种情况的发生，以保证方案的切实可行。
2、基础结构的计算
计算机技术在建筑基础计算中的应用，促使基础设计也得到了极大发展。随着计算精准度的提升，建筑基础计算可靠性也不断增强。但我们从计算机计算优势中获得一种便捷的同时，也从结构设计程序的被动计算中发现一些缺陷。因此，在利用计算机对结构设计程序予以计算时，必须考虑以下几点：（1）对计算自主性予以提升，尽可能减少对电子计算的依赖。在实践中我们发现，很多错误均是因为电子计算出现错误导致的。所以，作为一名工程师或者建筑基础设计人员，应减少对计算机计算的依赖，提升计算自主性。并对相关计算结果及数据反复核对，以免对后续设计造成影响。特别是对于基础结构设计中载荷数据及相关尺寸的计算要反复进行，不断审核，避免差错发生。同时，对于相关数据的精准性、真实性要细致分析，避免其中的盲目性。（2）对计算结果要科学选用。在计算环节，通常会因为计算参数的差异而导致所得结果的不同。因而，对于结构计算设计而言，也并非所有结果都适用。这就需要工程师或者相关人员对获得结果予以分析，合理选用。（3）计算模型及实际结构的不同。通常而言，计算程序由于其在设定过程中，是以理想和假定状态为基础的，因而，它与实际结果总会存在些许差异，实际结果的承受力与理想状态及假设状态之间总是存在距离的，它会随着外在因素的改变而不断发生变化。因此，在对结构基础进行设计时，应将实际结果与模型所得结果反复比较，尽可能使二者相吻合，如果存在差距，则必须重新计算。
3、提高材料的利用率
要想优化建筑结构的基础设计，必须在保证安全和经济的前提下，提高建筑材料的利用率。此外，钢筋和混凝土的强度还要相匹配，这样能够最大限度地发挥材料的性能。总之，要重视材料的恰当选择，提高材料的利用率，降低造价，收到最好的效益。
4、正确理解和应用《规范》
《规范》作为优化设计的基础和指南，在实际工作中必须严格执行其相关的规定。一方面，要深入学习《规范》中的相关条文，深刻领会其中的内涵，并将此作为设计准则，根据具体的设计对象、设计环境、构件特点等，进行科学合理的设计。另一方面，要高度重视《规范》中的构造措施。在实践中，一些工程师过分强调计算结果，却忽视设计环境，从而导致结构设计的安全性和经济性受到损害。比如，抗震计算只是一种近似方法，具体的设计还需要考虑震害和总结构基础，因此，在遵循设计原则和计算方法的同时，还必须考虑抗震构造措施。
结语
对于高层建筑来说，不同的基础设计方案决定了不同的工程造价和不同的经济收益。因此，设计人员要多学习国内外先进的高层建筑基础设计的方案，总结经验与教训，以选择造价最合理的基础设计方案，满足现阶段我国不断增长的城市住房需求和对高层建筑基础设计的需求。
参考文献：
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[6]邢凯军.试论高层建筑结构设计的优化[J].门窗，2015（03）.
论文作者:梁举周
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/15
标签：基础论文; 高层建筑论文; 建筑结构论文; 结构论文; 结构设计论文; 优化设计论文; 建筑论文; 《基层建设》2017年第23期论文;