高层建筑结构体系与地基基础的选型分析

引言
结构设计的过程是设计者发挥主观能动性的过程，同时也是知识运用和经济分析高度融合的过程。由于每一个设计工作者的知识和经验都是有差别的，正是这种差别的存在，导致了对于一个功能相同，约束条件相同的设计，不同的结构工程师可能采用不同的结构体系，设定不同的空间尺度、选用不同的结构材料来实现同一设计目标。然而，采用不同材料不同的结构体系以及不同的空间尺度，往往经济性能都不相同，甚至相差很大。
1 高层建筑结构体系选型分析
1.1 高层建筑按结构材料划分
(l)钢筋混凝土结构体系
钢筋混凝土结构合理利用了钢筋和混凝土两种材料的协同受力性能特点，广泛应用于各种工程结构中。它具有取材丰富，造价较低，耐久性和耐火性较好，维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。
(2)钢结构体系
钢结构具有强度高，抗震性能好，构件截面小，工厂化生产程度高，施工方便，建设周期短，大跨度、大空间、多用途等特点。同时它也具有结构材料较昂贵，造价较高，钢材易于锈蚀，日后维护费用高，防火性能较差，设计施工技术较复杂等缺点。
(3)钢一混凝土混合结构体系
钢一混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用，互相取长补短，既充分利用了钢构件具有的材料强度高，截面尺寸小，能提供较大跨度空间的优点，也利用了钢筋混凝土墙体或筒体具有的较大的抗侧刚度和较高的抗震承载力等优点。
(4)钢一混凝土组合结构体系
钢一混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构，型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构，钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。
1.2 高层建筑按结构形式划分
多层及高层建筑中传统的、广为应用的是框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系。在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架一筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系。
1.3 高层建筑结构体系优化
l)增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。
2)设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。
3)增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。
4)水平作用的传递主要是依靠楼板，并且目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。
2高层建筑地基基础选型分析
2.1 建筑地基基础类型
多层及高层房屋的基础类型有很多种，按照不同的划分方法有不同的类型。按基础所使用的材料可分为砖基础、毛石基础、灰土基础、混凝土基础、钢筋混凝土基础;按基础的埋置深度可分为浅基础、深基础，其中埋置深度小于5米的基础称为浅基础，埋置深度大于5米的基础称为深基础;按基础的受力性能可分为刚性基础和柔性基础;按基础的构造形式可分为条形基础、独立基础、满堂基础和桩基础。
具体选用哪一类型的桩基础，应该根据建筑物地基的地质条件、建筑物高度、上部结构类型、荷载情况、单桩设计承载力和建筑物周边环境以及建筑物所在地的施工水平等因素，通过技术经济分析后综合加以确定。
2.2 选择地基基础类型的原则
选择地基基础方案时，一般都优先考虑采用浅基础，持力层设置在天然土层上。由于这类基础埋置不深，无需复杂的施工设备，用料较省，开挖基坑，必要时排水疏干后和支护坑壁，地基不加处理即可修建，故工期短，造价低。仅当浅基础难以适应较差的地基条件或上部结构的荷载、构造及使用要求时，才考虑采用大型或复杂的浅基础、深基础或人工处理地基等造价较高、施工技术较特殊的地基基础方案。
3 实例分析
3.1 工程概况
某工程一层地下室为商场，二层地下室为人防及设备用房，平时为地停车库。平面轴线尺寸为 68.0m 114.3m，标准层尺寸为45.0m l5.8m，一层层高为5.lm，二层至五层层高为4.8m，六层以上层高为3m，第六层为结构转换层。结构体系为钢筋混凝土框支剪力墙结构，属A级高度钢筋混凝土高层建筑。
3.2 本工程结构体系的确定
(l)结构体系
本工程根据建筑使用功能要求，采用钢筋混凝土框支剪力墙结构。在6层设置设备层兼作转换层，转换层以下采用框支剪力墙结构，有利于空间的更好利用，采用矩形柱大柱网，可以取得较大空间;转换层以上采用剪力墙结构，使住宅各房间美观大方，使用方便，同时为住宅营造了最大使用空间。
(2)屋盖及楼盖结构
本工程布置有较大的中庭，楼板开洞面积较大，因此采取加强中庭周围楼板的刚度及配筋，同时加大部分边梁的截面等手段。通过这些措施提高建筑物的整体刚度。
(3)结构材料
A.混凝土强度等级和抗渗等级
各部位混凝土强度等级和抗渗等级见表1。

表1 各部位混凝土强度等级和抗渗等级

梁、柱、桩纵筋:HRB400，d=6-28mm;
梁、柱、桩箍筋及墙受力、分布筋:HRB400，d=6-14Inm;HPB235，d=8-14mm;
现浇板受力筋:HRB400，d=6-14mm;HPB235，d=8-14mm;
现浇板分布筋:HPB235，d=6-12mm。
结构钢材:Q235B钢，f=205N/mm2，fv=120N/Inm2;Q345钢，
F=300N/mm2，fv= 175N/mm2。
焊条 :HPB235钢筋，Q235B钢焊接:E43系列;HRB335钢筋焊接:E50系列;HRB400钢筋焊接:E55系列。
3)剪力墙、框架填充墙
地下室内墙:MU10加气混凝土砌块，MS水泥砂浆砌筑。
楼层200厚外墙、内墙 :Mu10加气混凝土砌块，其密度 800kg/m3，Mb5混合砂浆砌筑。楼层100或120厚内墙:MU10加气混凝土砌块，其密度 800kg/m3，，Mb5混合砂浆砌筑。
3.3 本工程桩基础方案的确定
本工程场地持力层较深(强风化层已在地下26m左右)，且持力层以上砂层厚，地下水位较浅，水量较丰富，降水费用高，挖孔难度大，施工安全难以保证，本工程不宜采用人工挖孔桩。高强混凝土预应力管桩(PHC)刚度较大，抗裂性能好，施工速度快，静压管桩施工时对周边环境影响小，成桩费用按包工包料计比人工挖孔桩贵一些，但桩的持力层仅能在砾沙层，难以达到岩层。由于桩的挤土效应，常有部分桩很难穿透厚砂层，难于到达持力层，如果将静压改为捶击，又容易出现断桩现象，所以根据该地区的地质构造情况，不采用此桩型。采用反循环机械钻孔灌注桩。根据基础受力情况，持力层采用微风化泥质粉砂岩，其饱和单轴抗压强度标准值丘frk=12.03Mpa;桩径采用800和1000mm，C30混凝土，桩长约22m。单桩竖向承载力特征值须通过单桩竖向静载试验确定，试桩数量须满足国家有关规范要求。经调查工程所在市的有关桩基础的使用情况，本工程可考虑选用桩径外径400mm内径200mm的预应力混凝土桩、桩身450mm扩大头700mm的夯扩桩，桩身800mm的机械钻孔灌注桩作为本工程的基础类型。
由于本工程桩基均为嵌岩桩，根据《建筑地基基础设计规范》，可不进行沉降验算。
桩基设计等级为:甲级。地下室钢筋混凝土底板400厚，侧壁400厚，采用自防水混凝土，混凝土抗渗强度等级S8。
4 结束语
在分析高层建筑各主要建筑结构类型的结构特点、使用范围以及影响高层建筑结构选型的主要影响因素基础上，针对本工程实际对各种基础形式，结构体系分析，确定最安全、经济、适用的基础形式和结构体系。
参考文献：
[1] 徐培福主编.复杂高层建筑结构设计阿]，北京:中国建筑工业出版社，2005
[2] 姚兵编著.我国混凝土技术的成就和发展[M]，北京:中国建筑工业出版社，2003
[3] 叶先磊，史亚杰编著.工程分析软件应用实例[M]，北京:清华大学出版社