高層建筑基礎設計考慮上部結構剛度影響分析

趙彥波

(北京天鴻圓方建筑設計有限責任公司 北京 100062)

高層建筑基礎設計考慮上部結構剛度影響分析

趙彥波

(北京天鴻圓方建筑設計有限責任公司 北京 100062)

是否考慮上部結構剛度對建筑結構的基礎設計計算結果影響明顯。文章采用有限元分析方法，分析了兩個工程實例在使用YJK軟件(盈建科結構設計軟件)進行高層建筑基礎設計時考慮上部結構剛度軟件實現(xiàn)的參數(shù)設置注意事項及對設計計算結果的影響。結果表明：建筑結構基礎設計考慮上部剛度影響可以有效減小基礎沉降量及沉降差，使基礎設計更經(jīng)濟、合理。

高層建筑基礎設計；上部結構剛度；建筑結構分析

0 引言

工程中的建筑結構體系是由上部結構、基礎與地基三部分組成的統(tǒng)一體，在荷載、地震作用下，三者相互影響、共同作用[1]。國家規(guī)范相關條文規(guī)定，建有多棟高層或低層建筑的整體大面積基礎宜考慮上部結構、基礎與地基的共同作用進行變形計算，筏板厚度、配筋的確定宜按共同作用的基礎變形和基底反力計算[2]。

隨著人們對地基基礎問題研究的不斷深入，建筑基礎結構分析大致經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即：不考慮共同作用階段，考慮基礎與地基共同作用階段以及充分考慮上部結構、基礎與地基共同作用階段。建筑結構共同作用分析理論就是把上部結構、基礎與地基三者作為共同工作的整體而研究的計算分析方法，特別是建造于較軟弱地基上的高層建筑結構進行計算分析、設計，能夠比較真實客觀地反映結構的實際工作狀態(tài)，也是被認為是比較安全、經(jīng)濟與合理的分析方法[3]。

建筑結構共同作用分析方法是伴隨著有限單元法及子結構分析技術在結構分析領域的應用而逐步發(fā)展起來的。本文通過兩個工程實例，對使用YJK軟件進行高層建筑結構基礎設計時，考慮上部結構剛度參數(shù)設置注意事項及對設計結果的影響進行探討分析。

1 計算原理與軟件實現(xiàn)

1.1計算原理

YJK建筑結構設計軟件系統(tǒng)是由北京盈建科軟件股份有限公司研發(fā)的一套集成化建筑結構輔助設計系統(tǒng)。其基礎設計模塊YJK-F，對于筏板、地基梁及筏板內(nèi)布置獨基、樁承臺、柱墩的整體式基礎，或分離式的復雜獨基、承臺基礎和地梁聯(lián)合布置的基礎統(tǒng)一按“考慮上部剛度的彈性地基梁板法”分析[4]。

實際工程中，上部結構、基礎和地基協(xié)同工作、互相影響。YJK-F在考慮上部結構和基礎共同作用時，采用了基于子結構思想的上部結構、基礎與地基的共同作用分析，將上部結構剛度與荷載向下部基礎凝聚實現(xiàn)的，軟件中“彈性地基梁板理論分析方法”考慮了地基、基礎的共同作用，并在此基礎上，引入由上部結構在基礎處凝聚的剛度和荷載向量矩陣來反映基礎和上部結構的共同作用。

1.2軟件實現(xiàn)

考慮上部結構剛度影響的基礎結構計算在YJK軟件中實現(xiàn)需要如下操作及注意事項。在上部結構計算時，應在參數(shù)的結構總體信息中勾選“生成傳給基礎的剛度”選項，從而將上部結構剛度及荷載凝聚下傳。在隨后的基礎計算時應在“樁筏筏板彈性地基梁計算參數(shù)”對話框中選擇考慮上部結構剛度。

圖3 基礎沉降三維圖

需要注意的是，程序只在剪力墻兩端建立上、下結點的連接關系，造成墻線中部對基礎的約束并沒有體現(xiàn)。因此，可以將剪力墻簡化成深梁模型即有限高度的彈性梁作為補充，在“板上剪力墻計算方案”中勾選“深梁”選項。有限高度彈性梁的剪力墻計算方案彌補了墻中部節(jié)點與基礎缺少協(xié)調(diào)連接而未考慮的上部結構剛度，使得分析計算更符合實際、合理。此選項選擇剛性約束時，剪力墻等同于無限高度的深梁，墻下節(jié)點只發(fā)生剛體平動和旋轉(zhuǎn)，這與實際受力情況不符，因此，一般情況下不建議使用剛性約束方案，同時也不需要考慮剪力墻的整體高度，深梁的等效高度填寫5m～10m即可。

2 上部剛度對基礎設計的影響

下文是兩個實際工程案例，通過對比是否考慮上部結構剛度的設計計算數(shù)據(jù)，得出上部結構剛度對基礎設計的影響。

案例1，高層住宅剪力墻結構，地下1層，地上26層，層高2.9m，總高度75.5m。擬建場地處于抗震設防烈度8度區(qū)內(nèi)，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組，Ⅲ類場地，特征周期Tg為0.55s。基礎采用樁筏基礎，筏板厚800mm，樁長25.1m，基礎布置的三維軸側圖如圖1所示。

圖1 樁筏基礎

案例2，高層住宅剪力墻結構，地下1層，地上17層，層高2.85m，總高度48.55m。擬建場地處于抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組，特征周期Tg為0.40s，Ⅱ類場地?；A采用筏板基礎，筏板厚500mm，基礎布置的三維軸側圖如圖2所示。

圖2 筏板基礎

2.1上部剛度對基礎沉降的影響

兩個案例的基礎三維沉降(考慮上部剛度)如圖3所示，考慮與不考慮上部結構剛度的沉降計算數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 沉降分析結果對比

對比表中數(shù)據(jù)：基礎的沉降計算在考慮上部結構剛度后，最大沉降量項，案例1由25.2mm減小至22.3mm，案例2由39.0減小至35.3mm?；A沉降差方面，絕對沉降差案例1由17.1mm減小至12.1mm，案例2由14.1mm減小至8.6mm。相對沉降差案例1由0.08%減小至0.05%，案例2由0.10%減小至0.06%。

以上對比數(shù)據(jù)反映出上部結構剛度對減少基礎沉降的貢獻，即基礎沉降計算在考慮上部結構剛度后，其最大沉降及差異沉降量均明顯減小、基礎沉降更加均勻。

2.2上部剛度對地基承載力驗算的影響

案例1的樁豎向承載力驗算與案例2的地基承載力驗算結果如表2～表3所示。其中，案例1樁豎向承載力特征值Ra為2200kPa，案例2地基承載力特征值fa為390kPa。

表2 案例1樁豎向承載力驗算 kPa

表3 案例2地基承載力驗算 kPa

表中數(shù)據(jù)可得出：非地震作用組合時，樁承載力驗算2360kPa<2600kPa<1.2Ra=2640kPa，地基承載力驗算432kPa<462kPa<1.2Ra=468kPa。地震作用組合時，樁抗震承載力驗算3078kPa<1.5Ra=3300kPa<3594kP，地基抗震承載力驗算523kPa<1.5Ra=585kPa<625kPa。在未考慮上部結構剛度時，案例1樁豎向承載力驗算和案例2地基承載力驗算在地震作用組合下均不滿足抗震承載力要求，考慮上部結構剛度后有效解決了未考慮時地基承載力驗算不通過的問題。

2.3上部剛度對鋼筋用量的影響

基礎設計配筋時，不考慮上部結構剛度影響的最大正、負彎矩值較大，造成相應位置的配筋量及配筋率偏大而不合理。在考慮上部結構剛度的影響后，基礎的配筋率明顯減小。表4為兩個案例X向計算配筋與實際配筋面積的數(shù)據(jù)對比。

表4 兩案例X向計算配筋與實際配筋數(shù)據(jù)對比

注：表中，實配鋼筋例“Φ18@200+Φ16@200”表示前者通長筋Φ18@200加上后者補強筋Φ16@200。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，基礎配筋在考慮了上部結構剛度后局部配筋偏大的狀況明顯改善，基礎彎矩較大的應力集中部位如實例2頂部0.98%的較高板配筋率降至0.45%左右?？紤]上部結構剛度解決了筏板局部應力較大部位的配筋偏大問題，使得基礎設計配筋更合理、均勻。

圖4為配筋量-考慮樓層數(shù)變化關系曲線。從圖4中可以看出，考慮上部結構剛度的層數(shù)與基礎配筋量成一定關系，即：隨著考慮上部結構層數(shù)的增加，基礎配筋總量逐漸減小，當考慮3層以上結構剛度影響時配筋量趨于穩(wěn)定。因此，選項“凝聚局部樓層剛度時考慮的底部層數(shù)”一般填寫3～5即可。

圖4 配筋量-考慮樓層數(shù)變化關系曲線

考慮了上部結構剛度影響后，在基礎總配筋量方面，實例1由32.78t最多可減小至27.96t，節(jié)省鋼筋量14.7%，實例2由32.15t最多可減小至14.62t，鋼筋節(jié)省量高達54.5%。有效利用上部結構剛度，使得基礎內(nèi)力計算合理、工程用料更加節(jié)省。

3 結論

本文通過兩個實際工程案例基礎設計計算結果數(shù)據(jù)的對比，探討了上部結構剛度對基礎設計的影響，得到以下結論供結構設計人員參考。

(1)考慮上部結構剛度后基礎的最大沉降量和沉降差明顯減小，使得沉降計算更合理，真實地反映上部結構與基礎的受力狀況。

(2)上部結構剛度的考慮可解決抗震承載力驗算不滿足的問題。

(3)隨著考慮上部結構剛度層數(shù)增大基礎配筋總量減少并趨于平穩(wěn)，基礎設計計算時一般可考慮3～5層上部結構剛度影響。

(4)考慮上部結構剛度可解決筏板局部配筋偏大的問題，并節(jié)省筏板的鋼筋用量，使設計更趨合理，充分發(fā)揮基礎材料的作用。

考慮上部結構剛度對基礎的約束作用，可以有效利用上部結構剛度，使得基礎內(nèi)力計算更加合理、符合實際，工程用料更加節(jié)省，對工程應用有重要的實際意義和經(jīng)濟意義。

[1] 孫建琴，李從林.建筑結構與地基基礎共同作用分析方法[M].北京：科學出版社，2014.

[2] GB50007-2011 建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 肖強，丁翠.上部結構與地基基礎共同作用問題的研究現(xiàn)狀[J].浙江建筑，2009(9)：28-33.

[4] 北京盈建科軟件股份有限公司.YJK-F基礎設計軟件用戶手冊[Z].2015.

Tallbuildingfoundationdesignontheanalysisofthestiffnessoftheupperstructure

ZHAOYanbo

(Beijing Tianhong Yuanfang Architectural Design CO.,Ltd. , Beijing 100062)

The calculation results for architectural structure foundation design can be quite different by taking the superstructure rigidity into account. In this paper, the superstructure rigidity is considered during the design of high rise building foundations by exploiting the YJK software through two engineering projects. The parameter setting and the influence made on the calculation results for design are noticed by finite element analysis. The results indicate that it can reduce the subsidence and settlement difference by considering the superstructure rigidity influence during the architectural structure basic design. Meanwhile, it makes the basic design more economically and more reasonably.

Foundation design of high rise buildings; Superstructure rigidity; Architectural structure analysis

TU973

A

1004-6135(2017)11-0045-04

趙彥波(1988- )，男，工程師。

E-mail:yebo0829@163.com

2017-08-16