筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究

趙冬林 田燕霞

(周口市振興建筑有限公司，河南 周口 466000)

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筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究

趙冬林 田燕霞

(周口市振興建筑有限公司，河南 周口 466000)

筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，重點(diǎn)在于從基礎(chǔ)板理論分析與作用效果分析上，來優(yōu)化計(jì)算思路，提升筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有效性，降低基礎(chǔ)沉降變化，增強(qiáng)地基承載力和穩(wěn)定性。

筏板基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)方法；計(jì)算優(yōu)化；方法研究

筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)系到建筑工程基礎(chǔ)的穩(wěn)定性優(yōu)劣，特別是在提升基礎(chǔ)整體性、增強(qiáng)基礎(chǔ)剛度和抗震性上具有突出優(yōu)勢(shì)。由于筏板基礎(chǔ)受力機(jī)理復(fù)雜，在對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力的影響分析上，還具有多樣性。因此，為了提升建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定性，減少不均勻沉降可能帶來的安全隱患問題，很有必要通過筏板基礎(chǔ)計(jì)算分析方法的對(duì)比，來優(yōu)化筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方能，提升筏板基礎(chǔ)的應(yīng)用水平。當(dāng)然，在筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法上，一種是簡(jiǎn)化處理法，一種是理論分析法，還有共同作用分析法。本文將針對(duì)三種計(jì)算方法展開探討，并對(duì)其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行歸納，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考和借鑒。

一、筏板基礎(chǔ)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法

從筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來看，由于地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)三者在受力上的多變性，在簡(jiǎn)化算法中將之作為整體來進(jìn)行靜力計(jì)算，并完成對(duì)工程設(shè)計(jì)的運(yùn)用。由于基礎(chǔ)底板條件具有差異性，不同筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，對(duì)其基底反力作業(yè)分析也不同。以框架結(jié)構(gòu)為例，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)中的柱嵌結(jié)構(gòu)，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)要求可以得出其上部?jī)?nèi)力，而對(duì)于底層軸力、柱腳處彎矩反向作用力，主要是有基礎(chǔ)板來承受，并與上部結(jié)構(gòu)荷載形成共同承受地基反力?？梢?，在對(duì)框架結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，需要從基礎(chǔ)自重、地基土重及靜力結(jié)構(gòu)平衡上，假設(shè)基礎(chǔ)是剛性的，其受力結(jié)構(gòu)是垂直分布的，然后依照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法來求解基礎(chǔ)板內(nèi)力，最后再將基礎(chǔ)比作柔性的，以荷載方式來求解平均反力帶來的地基變形。因此，從簡(jiǎn)化方法來看，其假設(shè)與整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)存在不符合，主要適宜總荷載與總反力平衡條件，而未對(duì)基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間，以及基礎(chǔ)與地基之間的作用力進(jìn)行考慮，從而難以避免上部結(jié)構(gòu)帶來的給地基基礎(chǔ)的荷載，帶來與實(shí)際應(yīng)力分布的偏差。當(dāng)然，該方法在計(jì)算基礎(chǔ)板內(nèi)力及地基反力上也存在偏差。

二、基礎(chǔ)板理論設(shè)計(jì)法

根據(jù)基礎(chǔ)板理論，對(duì)于基礎(chǔ)板與地基可以作為整體，使其與上部結(jié)構(gòu)分離，而上部結(jié)構(gòu)所形成的荷載作用力，僅為滿足地基基礎(chǔ)與地基表面的靜力平衡，因此，通過對(duì)幾何學(xué)、物理學(xué)的簡(jiǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)力與地基變形的簡(jiǎn)化計(jì)算。首先，基礎(chǔ)板理論分析法可以歸納為四個(gè)部分。第一是結(jié)合不同地基工程實(shí)際，來搭建地基模型，并從地基壓力與沉降變化上優(yōu)化數(shù)學(xué)表達(dá)式；第二是根據(jù)一般撓曲微分方程，結(jié)合基礎(chǔ)板受力分析，并從撓度、反力作用中來求解函數(shù)；第三是計(jì)算基礎(chǔ)的沉降變化，依托變形協(xié)同、靜力平衡條件，從地基基礎(chǔ)板受力作用與地基板地基壓力等值的分析中，將第一項(xiàng)得出的地基壓力代入第二項(xiàng)得出的地基反力微分方程中；第四是利用數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)上述地基撓度、反力項(xiàng)微分方程進(jìn)行求解，主要運(yùn)用數(shù)學(xué)有限差分法、解析法、有限單元法、及加權(quán)殘數(shù)法等，來達(dá)到基礎(chǔ)板撓度及基礎(chǔ)板內(nèi)力。很顯然，從本計(jì)算方法來看，其理論方法也忽視了對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，特別是在變形量分析上，可能帶來基礎(chǔ)內(nèi)力的增大，導(dǎo)致偏差；另一方面由于基礎(chǔ)板自身的彎曲變形，也可能帶來對(duì)基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)的影響，因此，該方法適宜小型建筑框架結(jié)構(gòu)，且對(duì)基礎(chǔ)剛度要求很高。

三、共同作用分析法

從筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算實(shí)際來看，由于存在上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基的三方作用，因此可以將三者作為整體來進(jìn)行計(jì)算。共同作用計(jì)算法是通過對(duì)三方作用的理論分析，并從模型試驗(yàn)、原位測(cè)試等方法分析中來提升共同作用分析法的計(jì)算精度。該方法主要應(yīng)用于高層建筑、大型橋梁及糧倉(cāng)、儲(chǔ)罐等建筑物、構(gòu)筑物工程基礎(chǔ)模型設(shè)計(jì)中。在進(jìn)行理論分析時(shí)，由于采用數(shù)值分析方法，需要對(duì)基礎(chǔ)土體及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。一般表示為兩個(gè)步驟，一是對(duì)地基結(jié)構(gòu)、地基動(dòng)力反應(yīng)的分析，二是對(duì)各單體反應(yīng)及相互作用條件的分析，并獲得動(dòng)力反應(yīng)模型，來得出不同環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)的振動(dòng)阻抗，振動(dòng)位移和外力關(guān)系；三是采用有限元分析法，通過對(duì)土體地震反應(yīng)的分析，來探討地基基礎(chǔ)非勻質(zhì)性及非線性動(dòng)力特點(diǎn)，并綜合考慮多種因素來提升基礎(chǔ)筏板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。四是采用混合法，將數(shù)值方法與解析方法進(jìn)行綜合。如利用邊界元法與有限元法來進(jìn)行綜合，也可以利用有限元與半無限元法進(jìn)行綜合，從而提升筏板基礎(chǔ)的計(jì)算實(shí)效性。當(dāng)然，利用模型試驗(yàn)法，以及原位測(cè)試法，也可以從上部結(jié)構(gòu)、地基、基礎(chǔ)的三方作用來獲得整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。在基礎(chǔ)分析上，由于上部結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，對(duì)整體彎曲變形來說，其作用會(huì)增加變形的次應(yīng)力，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

由于筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法較多，在對(duì)上部結(jié)構(gòu)剛度足夠條件下，其對(duì)筏板基礎(chǔ)的荷載力，也成為筏板基礎(chǔ)的主要應(yīng)力。因此，在進(jìn)行筏板基礎(chǔ)應(yīng)力分析上，應(yīng)該考慮上部結(jié)構(gòu)的影響，來充分發(fā)揮基礎(chǔ)材料的應(yīng)力，增強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)，針對(duì)筏板基礎(chǔ)的整體彎曲應(yīng)力變化，可能使得上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的應(yīng)力分布，而增加了內(nèi)力變化。因此在筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的分析主要傾向于不安全性分析，需要對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮來提升其共同作用力。最后，由于不同建筑工程筏板基礎(chǔ)的差異性，在對(duì)三方共同作用分析上，以整體受力分析更為合理，也減少了計(jì)算成本，便于實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定目標(biāo)。

[1]孫峰,孔紀(jì)名,王杰,劉相.考慮共同作用下的筏板基礎(chǔ)厚度的設(shè)計(jì)方法研究[J].四川建筑科學(xué)研究.2012(05).

[2]韓緒,王家林.無限元與有限元耦合在地基計(jì)算中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ).2014(01).

TU222

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