淺談上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用

丁文斌　仲敏

摘要：當(dāng)前，上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用的問題開始獲得工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，也是重點(diǎn)研究的問題。盡管到目前為止，對于這一問題的研究已經(jīng)獲得了一定的成果，然而其還具有可以深入的空間。上部結(jié)構(gòu)、地基與基礎(chǔ)是具有緊密關(guān)聯(lián)的整體。假如在設(shè)計的過程中忽視了三者的相互作用，將其進(jìn)行分別計算，這樣不但會耗費(fèi)更多的經(jīng)濟(jì)成本，而且也影響到建筑的安全性與可靠性。因此，加強(qiáng)對上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)彼此間共同作用的研究是非常必要的。

關(guān)鍵詞：上部結(jié)構(gòu)；地基基礎(chǔ)；共同作用

中圖分類號：TU470 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）22-0091-01

引言

在一般狀況下，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，往往是將地基、上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)作為三個相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析的。盡管這種分析方式符合靜力平衡條件要求，然而卻忽視了三部分受荷前后的變形連續(xù)性，是存在不足的。實際上，三部分是存在緊密關(guān)聯(lián)的，都會根據(jù)各自獨(dú)有的剛度來有效制約變形現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而使得整個體系的內(nèi)力及變形發(fā)生改變。所以，科學(xué)的分析法是使三者都能充分滿足靜力平衡及變形協(xié)調(diào)的前提條件，進(jìn)而充分反映出三者間的密切關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)科學(xué)合理及安全經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。所以，加強(qiáng)對地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)共同作用的研究是非常必要的。

1上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用的研究發(fā)展

截止到目前為止，隨著高層建筑的日益增多以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，也使得高層建筑與地基基礎(chǔ)工程作用發(fā)展成一門新型學(xué)科。在60年代初期，我國就開始對共同作用進(jìn)行研究。然而到70年代，我國才真正地對高層建筑與地基基礎(chǔ)工程作用問題展開深入的研究。從70年代至今，在這幾十年的時間中已經(jīng)形成了若干有關(guān)地基基礎(chǔ)的規(guī)范規(guī)定，而且也召開了許多大型的專題會議，進(jìn)而使得這門新興的學(xué)科得到了更好的發(fā)展。在1985年，路佳與董建國等人率先嘗試在高層建筑地基基礎(chǔ)中合理應(yīng)用共同作用。由此開始，共同作用的實踐應(yīng)用正式拉開序幕。

2上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)間共同作用的原理

地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)是建筑物的主要組成部分（如圖1）。三者之間具有密切的關(guān)聯(lián)，其共同作用原理具體如下：

2.1地基剛度的影響。在地基變得比較柔軟時，那么基礎(chǔ)內(nèi)力以及相對撓曲就會得到一定程度的增加。反之，在地基剛度增加到一定的數(shù)值時，上部結(jié)構(gòu)的剛度則不會對基礎(chǔ)內(nèi)力的重分布產(chǎn)生任何影響。這主要是由于此時不均勻沉降已經(jīng)變得非常小，其無需再利用上部結(jié)構(gòu)來減少不均勻沉降，因此就不會影響到基礎(chǔ)內(nèi)力。

2.2基礎(chǔ)剛度的影響?；A(chǔ)剛度的改變也會在很大程度上影響到上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及基礎(chǔ)內(nèi)力。在一般狀況下，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度以及地基條件保持不改變的前提下，那么隨著基礎(chǔ)剛度的不斷增加，基礎(chǔ)內(nèi)力也會發(fā)生增大，相對撓曲會逐漸減小。反之，在基礎(chǔ)剛度發(fā)生減小的情況下，上部結(jié)構(gòu)中所包含的次應(yīng)力去口會發(fā)生增大的現(xiàn)象。

3上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用的研究方法

3.1原位測試法。此方法可以將建筑的實際受力狀況充分地反映出來，我們可以借助于對測試結(jié)果的深入分析與研究，從而獲知上部結(jié)構(gòu)以及地基基礎(chǔ)之間發(fā)生共同作用的基本原理，進(jìn)而更好地認(rèn)識其共同工作的特性，這樣就可以為工程設(shè)計工作的順利開展提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)。

3.2理論分析法。目前，此方法在共同作用問題研究中主要包括兩種方法：（1）數(shù)值法。主要包括有限單元法以及有限差分法等。其中最早的一種數(shù)值方法即為有限差分法。其主要是將有限差分方程合理地替代邊界條件以及微分方程。如此一來，就可以把問題逐漸轉(zhuǎn)化為代數(shù)求解的方程組。然后再利用解線性方程組的方法計算出定解問題的近似解。另外，當(dāng)前有限單元法是應(yīng)用最為廣泛的一種分析方法。此方法在共同作用問題的分析中主要包含的方法有分塊求解法以及子結(jié)構(gòu)方法等。其中對高層建筑和地基基礎(chǔ)共同作用研究最為科學(xué)、有效的方法即為子結(jié)構(gòu)法。（2）解析法。選用結(jié)構(gòu)力學(xué)法，把靜力平衡體系劃分為3部分，對每一個部分進(jìn)行分別求解。選用彈性力學(xué)中的解答來完成對高層建筑和地基基礎(chǔ)共同作用的分析。

4上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用分析的結(jié)論

4.1地基模型的影響。在選用線彈性模型時，在結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生增大的時候，基底的反力也會逐漸向邊、端部進(jìn)行集中。所以，基底邊緣一定會出現(xiàn)過大的反力。而以此計算所獲得的基礎(chǔ)中點(diǎn)彎矩則會要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實測地基的反力。但是在地基選擇使用非線性模型的時候，那么就會顯著地緩解地基反力的集中問題。當(dāng)選擇使用彈塑性模型時候，就算是剛性基礎(chǔ)，地基的邊緣反力也是非常緩和的，同時也是非常接近于實測結(jié)果。

4.2結(jié)構(gòu)剛度的影響。在一般狀況下，施工條件以及結(jié)構(gòu)剛度之間存在著非常密切的關(guān)聯(lián)，也就是要對剛度的形成方式進(jìn)行充分分析。目前，剛度的形成主要包括以下三種形式：（1）一次形成。即為整個結(jié)構(gòu)的剛度以及荷載是在同一時間一次性形成的；（2）逐層形成。即為本層的結(jié)構(gòu)剛度以及本層的荷載是在同一時間共同形成的；

4.3基礎(chǔ)底板鋼筋應(yīng)力計算單元的改變。對于基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)而言，其主要是人們通過結(jié)構(gòu)在地面上下的位置進(jìn)行劃分的。但是實際上，其是一個共同的整體。通過大量的實踐檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在計算基礎(chǔ)底板鋼筋應(yīng)力的時候，計算單元并非是一成不變的，而是發(fā)生變化的。

總之，當(dāng)前國內(nèi)外對于上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)工程作用的研究已經(jīng)日益深入，其作為一門學(xué)科的發(fā)展也越來越成熟。