高層建筑箱形基礎與上部結(jié)構(gòu)和地基共同作用淺析

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摘   要：高層建筑與地基基礎共同作用的問題已引起了許多學者的研究和關(guān)注，本文就共同作用的機理進行了分析，并對設計提出了建設性建議。? 

  關(guān)鍵詞：共同作用；  上部結(jié)構(gòu)；  基礎底板應力；  地基模型；  相鄰建筑；設計建議??             高層建筑的基礎形式多為筏板基礎和箱形基礎，當為箱形基礎時，由于上部結(jié)構(gòu)和地基基礎的相互作用，從而導致內(nèi)力計算的誤差，有時誤差還很大。因此，高層建筑與地基基礎的共同作用問題已越來越受到工程界的重視。高層建筑與地基基礎共同作用以下簡稱“共同作用”，即把高層建筑、基礎和地基三者看成一個整體，并且滿足地基、基礎與上部結(jié)構(gòu)三者在接觸部位的變形協(xié)調(diào)條件。本文對“共同作用”的機理和設計。?    常規(guī)設計方法：把上部結(jié)構(gòu)和基礎作為兩個獨立單元分別考慮，首先把基礎作為上部結(jié)構(gòu)    的固定支座，在荷載作用下，求得上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及基礎固定處的反力。此時認為    基礎沒有任何變形。然后把該反力作用于基礎上去計算基礎的內(nèi)力，再把基礎的反力作用于地基上來校核地基的強度和變形。這種常規(guī)設計方法人為地把基礎和上部結(jié)構(gòu)分開計算，忽略了基礎的變形和位移，忽略了上部結(jié)構(gòu)對基礎的約束作用，這樣導致的結(jié)果：一是基礎彎矩和縱向彎曲過大，基礎設計偏于保守；二是沒有考慮基礎實際存在的差異沉降引起的上部結(jié)構(gòu)的次應力，在某些部位（如底層梁、柱和邊跨梁、柱）低估了上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，使這些部位計算結(jié)果偏于不安全。?    1、上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎約束的有限性  ?       上部結(jié)構(gòu)的剛度是指水平剛度、豎向剛度和抗彎剛度的綜合。研究表明：隨著建筑物層數(shù)的增加，水平剛度和抗彎剛度只是在最初幾層增加較快，繼而迅速減緩，趨于某一穩(wěn)定值；而豎向剛度則隨層數(shù)增加以某種規(guī)律增加，同樣達到某一層時，趨于穩(wěn)定。所不同的是比前兩者多幾層?？梢娚喜拷Y(jié)構(gòu)剛度對基礎的約束是有限的，不是隨層數(shù)的增加而無限增加的。?    2、上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎“共同作用”的影響  ?       結(jié)構(gòu)剛度與施工條件（施工速度與施工方式）有著密切的關(guān)系，因此應考慮結(jié)構(gòu)剛度的形    成方式。其主要有：整個結(jié)構(gòu)的剛度和荷載是一次同時形成的稱為“一次形成”，本層結(jié)構(gòu)剛度與本層的荷載同時形成的稱為“通層形成”，本層結(jié)構(gòu)的剛度對承受本層或后幾層荷載無貢獻的稱為“滯后形成”。三種方式所形成的結(jié)構(gòu)剛度所起的作用有所不同。?    2.1上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎縱向彎曲的影響?       上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎的約束，必定大大改善基礎的縱向彎曲程度，當結(jié)構(gòu)剛度為“一次形成”時的縱向彎曲約為絕對柔性基礎時的1/10。但結(jié)構(gòu)剛度“一次形成”過高地估計上部結(jié)構(gòu)對基礎的約束作用，而結(jié)構(gòu)剛度“通層形成”的縱向彎曲與實際情況比較相符。?    2．2上部結(jié)構(gòu)剛度對柱荷載的影響?        在分析地基反力時發(fā)現(xiàn)，地基反力隨層數(shù)的增加不斷向兩端集中。同時，上部結(jié)構(gòu)的柱荷載也不是豎向樓層荷載的簡單疊加。隨著層數(shù)的增加，柱荷載逐步向兩端集中，邊柱總是加載，其值隨層數(shù)的增加而變化，（有測試表明：當層數(shù)增到15層時，邊柱荷載可增加40%，這就是所謂的“次應力”。內(nèi)柱普遍卸載，以中柱尤甚（有時可達到10%）。但是，柱荷載向兩端集中的效應不及地基反力顯著。由于結(jié)構(gòu)剛度的有限性，這種集中效應僅表現(xiàn)為最初幾層變化劇烈，以后緩慢。?        結(jié)構(gòu)剛度還影響著上部結(jié)構(gòu)中的應力分布。對于框架結(jié)構(gòu)而言，底層梁、柱的最大彎矩，除邊柱外，一般由外及里逐步衰減，到頂層中部趨于零；對于剪力墻結(jié)構(gòu)，底層兩端的墻板應力，無論是豎向壓應力還是剪應力均出現(xiàn)集中現(xiàn)象。在設計中，對“共同作用”結(jié)果在底層邊柱，邊墻產(chǎn)生的次應力必須引起充分的注意。?    3、基礎底板鋼筋應力計算時，計算單元的變化  ?        在箱基底板設計時，把箱基作為一個單元，這和實際工程情況不符，實測結(jié)果表明：底板鋼筋應力很小。在實際工程施工時，首先澆筑底板混凝土，然后澆筑箱基，箱基剛完工時，箱基底板僅承受箱基的自重，箱基剛度尚未形成，此刻受力單元僅為底板。隨著上部結(jié)構(gòu)的施工，建筑物的高度的增長，首先是整個箱基作為受力單元，以后受力單元的平面尺寸保持不變，高度不斷變化，逐漸由“橫箱”變成“豎箱”，即受力單元的高度越來越大，使箱基的寬度變成三個方向的最小尺寸。設計中，箱基和上部結(jié)構(gòu)是根據(jù)結(jié)構(gòu)在地面上下的位置人為劃分的，事實上它們是一個整體。因此，在荷載作用下，這樣的“豎箱”要使箱基底板產(chǎn)生很大的鋼筋應力是不容易的。所以，在高層建筑箱形基礎底板的設計中，用箱基作為一個受力單元來分析，底板的鋼筋應力與實際不符。計算單元應該是變化的。    4、地基模型和土性變化時對“共同作用”的影響  ?    當?shù)鼗捎镁€性彈性模型時，隨著結(jié)構(gòu)剛度的增加，基底反力不斷向邊、端部集中，基底邊緣發(fā)生過大反力是不可避免的。按此地基反力算得基礎中點彎矩將比實測地基反力大幾倍。    當?shù)鼗捎梅蔷€性彈性模型時，地基反力的集中現(xiàn)象就有明顯的改善。當?shù)鼗捎脧椥阅Ｐ蜁r，即使對于絕對剛性基礎，邊緣地基反力仍比較緩和，與實際情況相接近。?        由此可見，在“共同作用”分析計算中，選擇合適的地基模型是重要的。土性的變化對“共同作用”計算結(jié)果同樣產(chǎn)生影響。通常，當?shù)鼗翉椥阅Ａ枯^小時，基礎對土的相對剛度較大，地基的變形就比較均勻，而地基反力則顯得不均勻，相對剛度對地基反力產(chǎn)生了影響。這種分析是彈性地基的分析結(jié)果，用于地基承載力較大的硬土是符合實際的。?        對于地基承載力小的軟黏土，箱基邊緣的地基反力由于超過地基的承載力，引起箱基兩    端的地基產(chǎn)生塑性變形，使得地基土應力重分布，產(chǎn)生比較均勻平緩的地基反力。    5、相鄰建筑物對“共同作用”的影響  ?        相鄰建筑物對主體建筑“共同作用”結(jié)果的影響主要有：?    (1)與主體建筑同步建造的相鄰建筑物；?    (2)在主體建筑建好后建造的相鄰建筑物。?        如果建筑物已造好，這種影響可以忽略不計。?    相鄰建筑物是通過對主體建筑產(chǎn)生附加沉降參與“共同作用”的。它是隨與主體建筑的    距離遠近和不同的布局，而產(chǎn)生不同的影響。當相鄰建筑與主體建筑平行布置時，影響“共同作用”的效果主要是改變橫向整體傾斜。對整體傾斜的影響非常之大，并顯著改變沉降分布，甚至改變傾斜方向。為此，特別是在小區(qū)建設中，必須充分注意相鄰建筑對主體建筑的影響。 www.lubanwang.cn  www.fujianyongnian.cn    6、設計建議?      6．1地基強度校核?    如建設場地具有較穩(wěn)定的地下水位，高層建筑箱形基礎的地基強度校核應符合下式：（略）    6．2箱形基礎的沉降計算?        箱形基礎的沉降可以用規(guī)范的分層總和法計算；建議采用根據(jù)高層建筑箱形基礎實測變    形特性，來計算箱基的沉降量。?    6．3荷載重心與底板形心的關(guān)系    上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載重心應盡量與箱基底板形心重合，這是為了防止發(fā)生不利于使用的橫向整體傾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基底板懸挑或箱基懸挑的方法來解決。底板懸挑長度與底板厚度之比不宜大于4。?    6．4高層框架結(jié)構(gòu)箱基底板鋼筋應力的計算?         高層框架結(jié)構(gòu)箱基底板鋼筋應力計算除采用規(guī)范方法外，建議采用“共同作用”整體計算。為了簡化起見，計算單元可采用箱基加上1～3層上部結(jié)構(gòu)來計算底板鋼筋應力。這樣計算的整體彎曲箱基底板鋼筋應力是符合實際的。?    6．5上部結(jié)構(gòu)的次應力問題?    “共同作用”分析表明，上部結(jié)構(gòu)底下兩層的邊墻、邊柱會出現(xiàn)過大的內(nèi)力，這就是所謂的“次應力”問題。因此建議用“共同作用”方法獲得邊墻、邊柱的內(nèi)力，以進行配筋設計。否則，用常規(guī)設計應適當提高其安全系數(shù)。