高层建筑结构桩基础与抗震性设计分析

鲁微伟

（大庆油田矿区服务事业部外围物业管理公司杏南供热分公司 黑龙江 大庆 163000）

0 引言

随着近代工程建筑规模不断扩大，结构形式不断变化更新，向高层建筑及复杂的方向发展的势头迅速，高层建筑越来越多。因此施工中面临的难点、疑点等问题也不断的增多。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，故其对基础的承载力、稳定性和差异沉降要求很高。而针对超高层建筑基础设计工作的需要来看，对一些问题还需要深入的研究。工程现场实测和模型试验均已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。为此有必要开展对高层建筑结构桩基础的设计研究。

1 高层建筑结构桩基础的分析

1.1 桩基础设计与工程应用现状

“基础决定上层建筑”，针对高层建筑桩基础的特点和要求。应用最广的是在竖向荷载作用下的桩，竖向荷载作用下的桩土相互作用问题对桩基的设计和施工影响很大，结合工程实际，很多桩基工程试桩设计与静载试验结果达不到设计要求，设计师通过调整设计参数，修改加密桩基设计图予以补救，这样静载试验结果超过设计要求太多，虽然安全性更易得到保证，但太保守的设计降低了经济效益。在建筑业这种情况是要进行优化的，超过设计太多需要进行二次试桩，项目建设周期也随之延长。如果设计师等静载试验结果出来再进行桩基施工图的设计，既影响计划进度，也满足不了建设的需要。解决单桩静载试验结果与试桩设计偏差过大的问题，也就是怎样使试桩设计尽量接近单桩静载试验结果，又简便又精确地对单桩静载试验结果进行预估计是值得研究的。

1.2 桩基础简化设计分析

高层建筑结构作用在基础上的荷载大，基础埋置深，一般设置地下室并常常有作为人防工程或地下停车库等要求，因此，基础工程的材料用量多、施工复杂且施工周期长，其技术经济指标对建筑总造价有很大影响。高层建筑的基础除极少数可直接建于坚硬的岩石上以外，一般采用钢筋混凝土片筏式基础、箱形基础或桩基础，而桩基础是高层建筑最常用的基础形式。桩基础具有承载力大、稳定性好、沉降量小且均匀等优点，还能承受一定的水平力和上拔力，承受动荷载的性能也较好。

就高层建筑物的上下部相互作用问题来讲，传统的设计计算理论所采用的许多假定使其在不同程度上回避了桩-土-结构间相互作用的全面分析。如：地基反力系数法把土体对桩的反力作用等复杂因素通过Winker假定，简化成单纯的反力系数作用于桩上，传统设计计算理论本质上都未彻底解决桩-土相互作用力学机制的分析问题。对于高层建筑物的相互作用分析，必须将结构-桩-土体系作为一个整体来考虑。显然用传统的设计计算理论来更贴切地分析这一实际问题还是有些困难的。就目前的分析手段来讲，有限元法是个前景较好的方法，除了有限元数值模型能够充分地考虑诸如：土体材料性质的空间差异性、力学响应的非线性，复杂的几何边界条件等，而且还能够通过适当的数值技术模拟工程施工过程，以及由此而带来的一些施工力学问题等各类复杂的耦合因素外，其思想和实现过程也都较为简单和统一，因此适于编程和电算，极大的简化了桩结构基础的计算设计工作量。

2 高层建筑结构抗震性动力分析

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

对于高层建筑，其桩基础与抗震效能的分析一直是国内外建筑抗震设计分析的研究热点，而最直接最有效的抗震措施就是在建筑设计阶段进行结构抗震设计，只有从高层建筑物内部实施结构抗震，才能够从根本上提高高层建筑的抗震效能。本文从高层建筑结构设计的角度进行了抗震分析，对于具体的高层建筑抗震设计具有一定指导和借鉴意义。