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第12章高层建筑结构的基础设计基础是房屋结构的重要组成部分，房屋所受的各种荷载都要经过基础传至地基。由于高层建筑层数多、上部结构荷载很大，导致使其基础具有埋置深度大，材料用量多，施工周期长，工程造价高等特点。为此，高层建筑基础设计时应满足以下几方面的要求：(1)基础的总沉降量和差异沉降量满足规范规定的允许值；（2）满足天然地基或复合地基承载力及桩基承载力的要求；（3）地下结构满足建筑防水的要求；（4）预先估计在基础施工过程中对毗邻房屋或市政设施的影响，并尽可能避免或减轻这种影响和干扰；（5）应考虑综合经济效益，不仅考虑基础本身的用料和造价，还应考虑土方、降水、施工条件和工期等因素。地震区的高层建筑宜选择对抗震有利的地段，避开不利地段，当条件不允许避开不利地段时，应采取可靠措施，使建筑物在地震时不致由于地基失稳而破坏，或者产生过量下沉或倾斜。由以上可知，高层建筑基础的设计对房屋的正常使用和安全至关重要，应根据岩土工程勘探资料，综合考虑上部结构类型、材料情况、施工条件和使用功能要求等因素，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。12.1基础的选型和埋置深度12.1.1基础类型的选择及一般规定高层建筑基础的选型应根据上部结构情况、工程地质、抗震设防要求、施工条件、周围建筑物和环境条件等因素综合考虑确定。应选用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。天然地基上的筏形基础比较经济，宜优先采用；必要时也可采用箱形基础；当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形的要求时，也可采用交叉梁基础或其它基础形式；当地基承载力和变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。目前国内高层建筑的地下室，多用做汽车库、机电用房等大空间，以及采用整体性好和刚度大的筏形基础。因此，鉴于实际情况，没有必要强调采用箱形基础，除非有特殊要求。基础是否发生倾斜是高层建筑是否安全的关键因素。高层建筑由于质心高、荷载大，对基础底面一般难免有偏心，故在沉降过程中，建筑物总重量对基础底面形心将产生新的倾覆力矩增量，而此倾覆力矩增量又产生新的倾斜增量，倾斜可能随之增长，直至地基变形稳定为止。因此，为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础平面形心相重合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。《高层规程》规定，在地基土比较均匀的条件下，箱形基础、筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，偏心距宜符合下式要求：eAWe1.0≤（12.1.1）式中e——基底平面形心与上部结构在永久荷载与楼（屋）面可变荷载准永久组合下的重心的偏心距（m）；W——与偏心方向一致的基础底面边缘抵抗矩（）；3mA——基础底面的面积（）。2m对低压缩性地基或端承桩基的基础，可适当放宽偏心距的限制。按公式（12.1.1）计算时，裙房与主楼可分开考虑。为使高层建筑结构在水平力和竖向荷载作用下，其基底压应力不致过于集中，为此，可通过限制基础底面压应力较小一端的应力状态来实现。《高层规程》规定，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15％。当满足上述要求时，高层建筑结构的抗倾覆能力具有足够的安全储备，不需再验算结构的倾覆问题。对裙楼和主楼质量偏心较大的高层建筑，裙楼与主楼可分别进行基底应力计算。112.1.2基础的埋置深度高层建筑基础必须有足够的埋置深度，这主要是考虑了以下几方面的因素：（1）增大基础埋深可保证高层建筑在水平荷载（风和地震作用）作用下的地基稳定性，减少建筑的整体倾斜，防止倾覆和滑移，利用土的侧限形成嵌固条件，保证高层建筑的稳定；（2）由于基础增大埋深，可使地基的附加压力减小，且地基承载力的深度修正也加大，则可以提高地基的承载力，减少基础的沉降量；（3）增大基础埋深，可使地下室外墙与土体之间的摩擦力和被动土压力增大，从而限制了基础在水平荷载作用下的摆动，使基础底面上反力分布趋于平缓；（4）地震作用下结构的动力效应与基础埋置深度关系较大，增大埋深，可使阻尼增大，结构的地震反应减小，而且土质越软，埋置深度越大，地震反应减小得越多。因此增大埋深有利于建筑物抗震。实测表明，有地下室的建筑地震反应可降低（20—30）％。基础的埋置深度对房屋造价、施工技术措施、工期以及保证房屋正常使用等都有很大的影响。基础埋置太深，还会增加房屋的造价；而埋置太浅，通常又不能保证房屋的稳定性。因此，基础设计时应根据实际情况选择一个合理的埋置深度。当基础直接搁置在基岩上时，可以不考虑埋深的要求，但一定要做好地锚，保证基础不发生滑移。基础的埋置深度指有效埋深，一般指从自室外地面起算，天然地基算至基础底面的下皮标高，桩基础算至承台的下皮标高；当室外地面不等高时，应按较低的一侧起算，如图12.1.1所示；当地下室周围无可靠侧限时，应从具有侧限的地面起算。《高层规程》规定，高层建筑基础的埋置深度，对天然地基或复合地基，可取房屋高度的1/15；对桩基础，可取房屋高度的1/18（桩长不计在内）。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求及当有可靠依据时，基础埋置深度可适当减小。当地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施。图12.1.1基础的有效埋深当高层建筑的地下室周边需要设置连续的采光井时，土体与采光井的挡土墙接触，不能对基础形成有效的侧限，此时应每隔一段距离，在基础与采光井外壁之间设置连接短墙（图12.1.2），以利用周围土体对基础产生侧限，保证水平力的传递。（a）（b）图12.1.2增大有效埋深的措施高层建筑一般带有裙房，当主楼与裙房用沉降缝分开时，主楼的有效埋置深度应从有侧限的地坪起算，如图12.1.3所示。若主楼与裙房基础的埋置深度相同，则主楼的有效埋置深度为零（图2图12.1.3基础有效埋置深度12.1.4(a)），此时基础埋置深度没有受到侧向限制，宜将主楼基础的埋置深度增大，则主楼与裙房两基础埋置深度的差值为主楼基础的有效埋深（图12.1.4(b)）。在不得已情况下，亦可在主楼与裙房基础之间的沉降缝内填充松散、坚硬的材料（如粗砂），使两者之间可以传递水平力，同时又不妨碍沉降缝两侧基础发生相对沉降。（a）（b）图12.1.4沉降缝对有效埋深的影响12.1.3高层建筑基础与裙房基础的连接高层建筑常常附有层数不多，用作门厅、商店、餐厅等的裙房，裙房一般柱距较大，比较空旷，高层部分与裙房两者之间上部刚度和荷载相差悬殊，基础附加压力差别极大，导致基础沉降量不同，理应设置沉降缝将二者基础分开，以避免差异沉降量对上部结构的影响（图12.1.3）。实际上，高层部分与裙房之间基础是否需要断开，应根据地基土质、基础形式、建筑平面体形等情况区别对待。当采用天然地基，而地基承载力较小，预计主楼与裙房基础的绝对沉降量及差异沉降量均较大时，应在主楼与裙房之间设置沉降缝将二者断开，使彼此可以自由沉降。当地基土质较好，或采用桩基础，高层部分和裙房基础各自的沉降量及二者差异沉降量都比较小，且计算比较可靠时，主楼与裙房之间的基础及上部结构可以连成整体，不需设置沉降缝。从房屋的建筑使用功能及防水要求考虑，亦不希望设置沉降缝。目前，国内高层建筑的主楼与裙房之间多数不设永久缝，实测表明，当主楼地基下沉时，由于土的剪切传递，主楼以外的地基也随之下沉，其影响范围随土质而异，即地基沉降曲线在主楼与裙房的连接处是连续的，不会发生突变的差异沉降，而是在裙房若干跨内产生连续性的差异沉降。当高层建筑主楼与裙房之间不设置沉降缝时，为了减小差异沉降引起的结构内力，可采用施工后浇带的措施。施工后浇带设置在裙房一侧，宽度不应小于800mm，其位置宜设在距主楼边的第二跨内、从基础到裙房屋顶所有的构件上。后浇带中的钢筋最好是先断开（若以后采用搭接，要求钢筋留出锚固长度；若以后采用焊接，钢筋可以切断），也允许钢筋不切断而直接连通起来。在施工期间，后浇带混凝土先不浇筑，这样主楼与裙房可以自由沉降，到施工后期，沉降基本稳定后再浇筑混凝土连为整体。当采用天然地基时，后浇带混凝土通常待主楼结构施工完毕后浇筑；如果采用以端承桩为主的桩基础，由于桩基础沉降差较小，可根据施工期间的沉降观测结果，随时浇筑后浇带混凝土。后浇带浇筑用的混凝土，宜采用浇筑水泥或硫酸铝盐等早强、快硬、无收缩的水泥；同时，基础底板及地下室外墙在施工后浇带处要做好防水处理。北京西苑饭店新楼，主楼地下3层，地上23层，加塔楼总高度93.51m；裙房地下2层，地上2—3层；主楼采用箱形基础，底面标高为-12m，支承在砂卵石层上，裙房采用交叉梁基础，底面标高为-7.55—-9.5m，支承在粉砂层上。由于基底土质较好，绝对沉降量小，该结构采用了主楼与裙房之间不设沉降缝而连为整体的方案，为减小主楼与裙房之间的差异沉降量，在施工期间，从基础3到裙房屋顶留有后浇带，如图12.1.5所示，待主楼施工至23层时浇筑后浇带连为整体。图12.1.6所示为某高层建筑平面，主楼均为矩形平面框筒结构，Ⅰ、Ⅱ栋分别为14层和18层，Ⅲ、Ⅳ栋分别为28层和23层，由防震缝分为两段；裙房5层，与主楼共用一个基础，施工时在主楼与裙房之间留有后浇带。（a）（b）图12.1.5西苑饭店基础后浇带图12.1.6某高层建筑后浇带平面位置12.2地基、基础和上部结构的共同作用分析地基、基础和上部结构三者是一个整体，要正确地求得基础的真实受力情况，必须考虑三者的共同作用，就是把地基、基础和上部结构看作一个彼此相互协调工作的整体，在连接点和接触点处满足变形协调条件以求得整个系统的变形和内力。由于这种计算分析方法十分复杂，有待于进一步完善，目前尚不能完全用于实际工程。实际工程中，一般是将上部结构与基础分离开，并假定它固定于基础顶面（图12.2.1(a)），然后按结构力学方法求得支座反力(图12.2.1(b))，并反作用于基础，作为基础承受的荷载(图12.2.1(c))。当考虑地基与基础的共同作用时，将基础看作（弹性）地基上的梁或板，按照不同的地基模型根据静力平衡条件和接触点处的变形协调条件计算基底反力及基础的内力。当不需要考虑地基与基础的共同作用时，假定基底反力为直线分布，将柱视为支座，基础看（a）（b）（c）图12.2.1上部结构及其基础分析简图4成倒置的连续梁或板，在基底净反力作用下按结构力学方法计算基础内力。由上可知，目前对上部结构的分析，一般不考虑与地基、基础的共同作用；基础的分析有时虽考虑了与地基的共同作用，但通常也不计入上部结构的影响。尽管如此，掌握地基、基础、上部结构相互作用的基本概念将有助于了解各类基础的性能、正确选择地基基础方案、评价常规分析与实际之间的可能差异、理解影响地基变形允许值的因素等有关问题。因此，高层建筑基础应根据上部结构和地质状况进行设计，宜考虑地基、基础与上部结构相互作用的影响。1.上部结构刚度对基础内力的影响从与地基变形相互作用的观点出发，上部结构可分为刚性结构、柔性结构和半刚性结构。当上部结构为绝对刚性时，地基变形只使各柱均匀下沉（图12.2.2(a)）；若忽略柱端的转动约束作用，则柱端可视为基础梁的不动铰支座，亦即基础犹如倒置的连续梁，不产生整体弯曲，在基底反力作用下只产生局部弯曲。当上部结构为绝对柔性时，上部结构对基础的变形毫无制约作用（图12.2.2(b)），基础梁在产生局部弯曲的同时，还产生很大的整体弯曲。由上可见，两种情况下基础梁的挠曲形式及相应的内力图有很大的差别。(a)(b)图12.2.2上部结构刚度对基础受力的影响工程中的实际结构常介于上述二者之间，属于半刚性结构。一般根据工程经验定性地判断比较接近哪一种情况，了解可能出现的地基变形特征并判定结构出现破坏的部位，以便采取有效措施。如上部结构为剪力墙结构房屋，则接近于绝对刚性结构；单层排架房屋接近于柔性结构。但是刚度较大的上部结构在抵抗和调整地基变形的同时，结构内部将产生很大的附加应力；反之，上部结构刚度愈小，产生的附加应力也愈小。2.基础刚度对基底反力的影响绝对柔性基础且当忽略