高层建筑桩箱(筏)基础结构设计理论与实际研究(案例分析、附图).ppt

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1、高层建筑桩箱（筏）基础高层建筑桩箱（筏）基础设计理论与实践研究设计理论与实践研究 第一章第一章 绪绪 论论第二章第二章 高层建筑超长桩箱基础与地基的共同作高层建筑超长桩箱基础与地基的共同作 用测试研究用测试研究第三章第三章 桩土共同作用及沉降分析桩土共同作用及沉降分析第四章第四章 高层建筑桩箱高层建筑桩箱(筏筏)基础沉降计算的简易基础沉降计算的简易 理论法理论法第五章第五章 高层建筑桩箱高层建筑桩箱(筏筏)基础沉降机理分析基础沉降机理分析第六章第六章 带裙房高层建筑基础整体设计的研究带裙房高层建筑基础整体设计的研究第七章第七章 高层建筑桩箱高层建筑桩箱(筏筏)基础的变形控制设计基础的变形控制设

2、计 理论理论第八章第八章 结论与展望结论与展望高层建筑桩箱高层建筑桩箱(筏筏)基础设计：基础设计：通常是通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担通常是通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载建筑物的荷载;很少考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规很少考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内定的范围内。高层建筑高层建筑桩箱桩箱(筏筏)基础设计理论与实践研究目基础设计理论与实践研究目的是：的是：1.最终能使设计人员可利用高层建筑与桩箱最终能使设计人员可利用高层建筑与桩箱(筏筏)基础共同作基础共同作 用的设计理论进行优化设计。用的设计理论进行优化设计。2.提出方法解决考虑

3、需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制提出方法解决考虑需用多少根桩才能使建筑物的沉降控制在规定的范围内的问题。在规定的范围内的问题。第一章第一章 绪绪 论论高层建筑桩箱高层建筑桩箱(筏筏)基础基础高层建筑桩基础大部分为桩箱基础和桩筏高层建筑桩基础大部分为桩箱基础和桩筏基础。基础。通过增加桩数来提高群桩的承载力使之能承担建筑物的荷载的设计方法称为强度设计方法强度设计方法。1.1.强度设计方法认为建筑物的荷载全部由强度设计方法认为建筑物的荷载全部由桩承担，桩间土的承载力是不考虑的。桩承担，桩间土的承载力是不考虑的。2.2.共同作用设计方法认为高层建筑物的荷载共同作用设计方法认为高层建筑物的荷载是由桩和

4、桩间土的承载力共同承担。是由桩和桩间土的承载力共同承担。强度设计方法强度设计方法群桩中单桩竖向承载力单桩竖向承载力校核1.轴心竖向力作用下轴心竖向力作用下：2.偏心竖向力作用下偏心竖向力作用下：，强度设计方法设计的高层建筑桩基础，国内最高建筑物为上海88层金茂大厦金茂大厦，主楼高420.5m，地下3层,埋深19.2m，主楼底板主楼底板尺寸64m64m，厚厚4m，裙房底板裙房底板面积14950m2，厚厚 0.5m。主楼采用914.420的钢管桩，桩长65m，入土深度83m，共429根。裙房采用609.614的钢管桩，桩长33m，入土深度47m，共632根。akkkRnGFQakRQ amaxk2

5、.1RQi2yk2xkkkiiiiixxMyyMQQ正在建造的国内最高建筑物在上海，为121层上海中心大厦上海中心大厦。主楼结构高580m，塔冠最高点达632m，主楼底板主楼底板为直径为直径121m，厚厚6m的圆形钢筋混凝土的圆形钢筋混凝土板，板，埋深31.4m，局部埋深34.4m。采用直径为直径为1m的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长55.6m，入土深度87m，共955根。也是用强度设计方法设计的高层建筑桩基础。1.进行高层建筑带桩基础与地基共同作用进行高层建筑带桩基础与地基共同作用现场实测研究的目的：现场实测研究的目的：1）为实际的工程设计提供依据为实际的工程设计提供依据;2）它是理论分析正确性

6、的判断和检验标准。）它是理论分析正确性的判断和检验标准。第二章第二章 高层建筑超长桩箱基础与高层建筑超长桩箱基础与 地基的共同作用测试研究地基的共同作用测试研究图2-1建筑透视图图2-3公寓平面及量测元件布置2.2.地基反力及地基反力及 荷载分担荷载分担图2-2建筑剖面示意图图图2-4 I-I剖面地基反力的分布及随层数增加的变化剖面地基反力的分布及随层数增加的变化图2-6桩与箱基的荷载分担说明：说明：常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就分担上部荷载，这是高层建筑群桩基础的工作机理。1）桩间土在箱形基础混凝土一浇灌，就存在地基反力了。桩间土在箱形基础混凝土一浇灌，就存在地基反力了。现场实

7、测并未观察到群桩基础先承担上部荷载，而桩间土一点荷载也未承担的情况，这是桩箱（筏）基础的工作机理。这是桩箱（筏）基础的工作机理。这是和带承台单桩的试验结果不同的，带承台单桩的试验结果认为：上部荷载先由单桩承担，承台下的土体的地基反力为零，当单桩荷载达到单桩极限承载力时，单桩承担荷载保持不变，承台下的土体才开始承担上部荷载。高层建筑变形控制设计理论应以群桩基础的工作机理来探讨。2）本例箱基底板分担本例箱基底板分担11.1%的上部荷载。的上部荷载。（a)底板上排钢筋应力底板上排钢筋应力（b)底板底板下排钢筋应力下排钢筋应力图图2-8 钢筋应力与时间的变化图钢筋应力与时间的变化图3.3.箱基底板钢筋

8、箱基底板钢筋 应力应力1)实测箱基底板钢筋应力远实测箱基底板钢筋应力远小于钢筋的允许应力。小于钢筋的允许应力。底板上排钢筋应1处最大钢筋拉应力29.35MPa，底板下排钢筋（应5）处测得最大钢筋拉应力为11.44MPa。桩对准剪力墙布置的设计使箱基底板厚度减薄至60cm是合理安全可靠的。这种设计方法与同类的满堂式桩设计方法比较，每幢公寓可节省约15万元投资。2)箱基底板钢筋应力随温度箱基底板钢筋应力随温度变化的规律。变化的规律。钢筋应力并未按荷载的增加而增加，而呈现正弦形规律的变化，最大底板钢筋拉应力往往在1-3月份出现，最小底板钢筋拉应力往往在7-9月份出现。图图2-10 大气温度、下排钢筋

9、处温度以及它们之间的温差随时间的变化图大气温度、下排钢筋处温度以及它们之间的温差随时间的变化图图图2-11 上排钢筋处温度随时间的变化图上排钢筋处温度随时间的变化图图图2-12 钢筋应力计的频率与温度的关系钢筋应力计的频率与温度的关系3)底板底板钢筋应力呈现出正钢筋应力呈现出正弦形规律的变化，这是弦形规律的变化，这是建建筑物整体结构温筑物整体结构温差差应力应力的的结果。结果。4.4.桩箱基础底板钢筋应力桩箱基础底板钢筋应力 的机理分析的机理分析1)桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算；桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算；2）桩箱基础底板钢筋应力的机理分析：）桩箱基础底板钢筋应力的机理分析：计算桩箱基

10、础底板钢筋应力，计算单元是变化,实测表明，计算单元变化的结论是正确的。3）群桩刚度对箱形基础的底板钢筋应力分布是有）群桩刚度对箱形基础的底板钢筋应力分布是有 影影 响的。响的。图图2-13 应应1，应，应5及应及应9处的上下排钢筋应力随时间的变化处的上下排钢筋应力随时间的变化 (a)(b)(c)(d)图图2-14 高层建筑桩箱基础的箱基底板计算单元变化图高层建筑桩箱基础的箱基底板计算单元变化图图图2-15 箱基底板上下排钢筋应力沿箱基底板上下排钢筋应力沿-剖面的分布图剖面的分布图5.5.超长桩箱基础超长桩箱基础 的变形的变形 1）沉降很小（）沉降很小（29.3mm,实测推算实测推算 的最终沉降

11、为的最终沉降为36.8mm。）；。）；2）超长桩箱基础的整体横向倾超长桩箱基础的整体横向倾 斜和纵向弯曲。斜和纵向弯曲。整体横向倾斜：整体横向倾斜：0.25 (视作视作 均匀下均匀下 沉沉)；纵向弯曲：纵向弯曲：-0.386 -0.29 （与纯箱基差不多）。（与纯箱基差不多）。图图2-17 平均平均沉降随时间变化的理论值与实测值的比较沉降随时间变化的理论值与实测值的比较图图2-16 沉降随时间（层数）变化的关系沉降随时间（层数）变化的关系第二章第二章 小结小结1桩对准剪力墙的轴线布置的设计方法是合理可行的。桩对准剪力墙的轴线布置的设计方法是合理可行的。2常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开

12、始就分常规设计的超长桩箱基础的桩间土从施工一开始就分担上部荷载，这是高层建筑群桩基础的工作机理。担上部荷载，这是高层建筑群桩基础的工作机理。3.在进行高层建筑桩箱基础底板设计中，桩箱基础整体在进行高层建筑桩箱基础底板设计中，桩箱基础整体弯矩可以不计，桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算。弯矩可以不计，桩箱基础的底板弯矩按局部弯曲计算。4.高层建筑群桩基础对箱形基础的刚度是有影响的。高层建筑群桩基础对箱形基础的刚度是有影响的。超超长桩箱基础可视为绝对刚性的。长桩箱基础可视为绝对刚性的。5由于高层建筑物的温差引起的箱基底板钢筋应力的变由于高层建筑物的温差引起的箱基底板钢筋应力的变化不容忽视。化不容忽视

13、。第三章第三章 桩土共同作用及沉降分析桩土共同作用及沉降分析1.1.弹性理论法。弹性理论法。这是以明特林（Mindlin）解为基础的一种桩基础沉降计算方法。在具体应用中分为两类:位移解；位移解；应力解：应力解：盖特斯（Geddes）。）。弹性理论法计算参数不易确定。弹性理论法计算参数不易确定。2.2.简易理论法。简易理论法。该法是由笔者在1989年提出的桩箱（筏）基础最终沉降计算方法。土中应力用布西奈斯克解或明特林（Mindlin）解。简易理论法简单，能够手算，计算参数易确定，计算结果不需用沉降计算结果不需用沉降计算经验系数修正。计算经验系数修正。3.3.实体深基础法。实体深基础法。这个方法是

14、国内在1989年前规范推荐的方法，该法简单，方便，能够手算，计算结果需用沉降计算经验系数修正。沉降计算经验系数改变后，这个方法仍在上海市地基基础设计规范（DGJ08-11-1999）中存在。此法不能计算沉降与桩数的关系此法不能计算沉降与桩数的关系。土中应力用布西奈斯克解。4.4.剪切位移法。剪切位移法。这个方法国内很少用于实际。高层建筑桩箱（筏）基础的共同高层建筑桩箱（筏）基础的共同作用的理论分析结果作用的理论分析结果:1、适当减少桩数，建筑物的沉降增加很少（图、适当减少桩数，建筑物的沉降增加很少（图b），底板弯矩平缓增加（图，底板弯矩平缓增加（图c），且桩，且桩间土分担上部荷载的比例增加间土

15、分担上部荷载的比例增加（图（图d）。2、常规设计的桩箱（筏）基础的角桩，边桩，、常规设计的桩箱（筏）基础的角桩，边桩，内部桩反力之比为内部桩反力之比为3.59:2.71:1;极限设计（群桩的平均荷载等于单桩的极限极限设计（群桩的平均荷载等于单桩的极限承载力）的桩箱（筏）基础的角桩，边桩，内部承载力）的桩箱（筏）基础的角桩，边桩，内部桩反力之比为桩反力之比为1.39:1.20:1。3、常规设计的桩箱（筏）基础底板的钢筋应力、常规设计的桩箱（筏）基础底板的钢筋应力均很小，在均很小，在30MPa以内（图（图2-8）,（表（表b）。4、桩越长，建筑物的沉降就越小，但当长细比达到、桩越长，建筑物的沉降就

16、越小，但当长细比达到某值时，减小沉降的作用就不明显了（图某值时，减小沉降的作用就不明显了（图f）。5、合理布置桩位，高层建筑桩箱基础采用轴线桩及、合理布置桩位，高层建筑桩箱基础采用轴线桩及高层建筑桩筏基础采用柱对桩方案可大大减薄底板高层建筑桩筏基础采用柱对桩方案可大大减薄底板厚度；桩布置外密内疏是为了充分利用内部桩的承厚度；桩布置外密内疏是为了充分利用内部桩的承载力，桩布置外疏内密是为了减小底板的弯矩载力，桩布置外疏内密是为了减小底板的弯矩。图图b 桩间距与沉降的关系桩间距与沉降的关系图图c 筏中最大弯矩与桩间距的关系筏中最大弯矩与桩间距的关系图图d 桩分担系数桩分担系数 与桩间距与桩间距s 的关系的关系表表b 实测的底板钢筋应力实测的底板钢筋应力 工程 序号 建筑物 埋深(m)基础类型 底板厚度(m)桩布置类型 最大底板钢筋 拉应力(MPa)2 30 层公寓 4.5 桩箱 0.6轴线桩 29.4(上排)11.4(下排)3 26 层宾馆 7.6 桩筏 2.3(1.0)满堂桩 21.7 4 16 层住宅 4.5 桩箱 0.68满堂桩 15.0图图f 桩长桩长L与沉降与沉降S的关系的关系