淺談高層建筑中結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)作用關(guān)系

張國輝

（安徽省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001）

1 基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)共同作用分析

高層建筑基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)間共同作用，也就是計(jì)算分析時(shí)將高層建筑基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)看作一個(gè)統(tǒng)一整體結(jié)構(gòu)。

1.1 上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分析

在連接部位上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的變形應(yīng)協(xié)調(diào)，用共同作用得到整個(gè)系統(tǒng)變形以及內(nèi)力方法，這就被稱為兩者共同作用分析方法。在傳統(tǒng)高層建筑設(shè)計(jì)中，基本只考慮基礎(chǔ)間相互關(guān)系，忽略建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間共同作用，因此，并不能完全真實(shí)得到高層建筑基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)間結(jié)構(gòu)受力情況。一般常用的設(shè)計(jì)方法分為兩種：一是把上部結(jié)構(gòu)剛度當(dāng)作無窮大，這不考慮高層建筑上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)間共同作用關(guān)系，在計(jì)算方法不完善時(shí)代，這也是當(dāng)時(shí)唯一的計(jì)算方法；二是將基礎(chǔ)剛度考慮為無窮大，計(jì)算出高層建筑上部結(jié)構(gòu)作用、在基礎(chǔ)頂面上端反力，然后把這種反力加在基礎(chǔ)上，考慮到基礎(chǔ)間共同作用，不考慮上部結(jié)構(gòu)影響，這種方法并不完整，但是由于高層建筑上部結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，其計(jì)算手段受到很大限制，直到當(dāng)今，這種方法仍然在被廣泛使用。

1.2 基礎(chǔ)約束有限性影響

上部結(jié)構(gòu)剛度是抗彎剛度、水平剛度以及豎向剛度綜合表現(xiàn)。隨著建筑的層數(shù)不斷增加，抗彎剛度以及水平剛度在最初幾層增加較快，繼而迅速減緩并趨于穩(wěn)定值；豎向剛度則不然，隨建筑層數(shù)增加以某種規(guī)律變化，同樣達(dá)到某一層時(shí)趨近一個(gè)穩(wěn)定值?？芍?，上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)約束是一有限值，不是隨建筑層數(shù)增加無限增加的。

1.3 基礎(chǔ)共同作用影響

施工速度、施工方式和結(jié)構(gòu)剛度關(guān)系非常密切，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度形成方式。本層結(jié)構(gòu)剛度對承受本層或后幾層荷載無貢獻(xiàn)稱為滯后形成；整個(gè)結(jié)構(gòu)荷載以及剛度是同時(shí)形成，也就是一次形成；本層結(jié)構(gòu)剛度和本層荷載同時(shí)形成就是通層形成。它們對形成結(jié)構(gòu)剛度所起作用有所不同。

1.4 基礎(chǔ)縱向彎曲影響

上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)制約作用，可以大大改善基礎(chǔ)縱向彎曲程度，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度是一次形成時(shí)縱向彎曲大約是絕對柔性基礎(chǔ)的1/10。但結(jié)構(gòu)剛度一次形成過高的估計(jì)上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)制約，結(jié)構(gòu)剛度通層形成縱向彎曲和實(shí)際情況比較一致。

1.5 柱荷載影響

在研究反力時(shí)，反力隨層數(shù)增加持續(xù)向兩端集中。同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)柱荷載也不是豎向樓層荷載機(jī)械疊加。伴隨著層數(shù)增加，柱荷載逐漸向兩端集中，邊柱一直是加載，其值隨層數(shù)增加發(fā)生變化。反力比柱荷載向兩端集中效應(yīng)顯著。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度有限性，這種集中效應(yīng)僅僅體現(xiàn)為最初幾層變化強(qiáng)烈，以后比較緩慢。上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布，還受結(jié)構(gòu)剛度影響。在設(shè)計(jì)中必須對“共同作用”結(jié)果在底層邊柱、邊墻產(chǎn)生的次應(yīng)力引起充分重視。

2 模型與土性變化影響

通過“共同作用”分析計(jì)算，選擇合適模型是關(guān)鍵?！肮餐饔谩庇?jì)算結(jié)果同樣受土性變化影響。當(dāng)土彈性模量不大時(shí)，基礎(chǔ)對土相對剛度比較大，變形就會比較均勻，反力則顯得不理想，反力受相對剛度影響。這種分析是彈性分析結(jié)果，用于承載力相當(dāng)大的硬土是和實(shí)際相符。承載力小的軟黏土，箱基邊緣反力會超過承載力，引起箱基兩端產(chǎn)生塑性形變，使得土應(yīng)力再次分布，產(chǎn)生相對均勻平緩反力。當(dāng)采用線性彈性模型時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)剛度不斷增強(qiáng)，基底反力不斷向端部、邊集中，將不可避免使基底邊緣發(fā)生過大反力。就會導(dǎo)致按此反力算得基礎(chǔ)中點(diǎn)彎矩將比實(shí)測反力大數(shù)倍。當(dāng)采用彈性模型時(shí)，即使對于絕對剛性基礎(chǔ)，邊緣反力也會比較緩和，和實(shí)際情況相符。當(dāng)采用非線性彈性模型時(shí)，就會使反力集中現(xiàn)象明顯改善。

3 共同作用整體分析

常規(guī)方法和初等方法不足之處是顯而易見的。考慮實(shí)際工程，上部結(jié)構(gòu)剛度是漸漸形成的，粗略地把上部結(jié)構(gòu)剛度看作無窮大是不合理的。此外，上部結(jié)構(gòu)總有固定剛度，特別是對高層建筑來說，拋棄其剛度貢獻(xiàn)所得到結(jié)果，和整個(gè)體系實(shí)際上發(fā)生共同作用過程差別很大，因此，應(yīng)將上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)看作一個(gè)完整體系來進(jìn)行共同作用分析，這就是完全共同作用分析又稱整體分析方法，簡稱共同作用方法。

3.1 邊界元法

邊界元法是近些年來迅速發(fā)展一種新數(shù)值分析方法。它和有限元相比，不是用在物體內(nèi)部進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，只是在物體邊界上進(jìn)行有限元離散。這就極大地降低了節(jié)點(diǎn)數(shù)目，使運(yùn)算速度得到增加，并且該種方法非常適用于無限體和半無限體問題。由于邊界元法對于非勻質(zhì)體和非彈性問題分析較為困難。因此，在共同作用問題研究中，邊界元應(yīng)用在文克爾模型、雙參數(shù)模型以及彈性半空間模型上。

3.2 解析法

該方法是利用彈性力學(xué)中解析進(jìn)行共同作用分析。如在片筏基礎(chǔ)共同作用分析中利用Bouss解析形成柔度矩陣；在樁土共同作用分析中應(yīng)用Mind解析計(jì)算樁土體柔度矩陣等。由于這種方法利用彈性力學(xué)中解析，因此，只有進(jìn)行離散處理，有利于計(jì)算機(jī)編制程序并且所需機(jī)時(shí)較少，才能夠在實(shí)際工程中得到廣泛運(yùn)用。

4 結(jié)語

高層建筑上部結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)剛度，并且它與建筑基礎(chǔ)同處于一個(gè)共同作用完整體系中，基礎(chǔ)是民用以及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的組成部分，建筑物下方必須有足夠承載力，能夠承擔(dān)上部建筑傳遞下來的荷載，其變形量又必須在允許范圍內(nèi)。

[1] 聶慶科，等.3棟相鄰高層建筑上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-相互作用研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012(9)：87-95.

[2] 何文明.軟土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則.建筑設(shè)計(jì)管理，2012.(6)：121-123.