復(fù)雜情況下建筑底盤框筏基礎(chǔ)反力及變形特征研究

（山東外事職業(yè)大學(xué)，山東威海市，264504）張鑫強(qiáng) 張玉程 梁川紅

框筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的高層建筑設(shè)計(jì)方法一般是均勻布樁形成的框筏基礎(chǔ)，這樣的樁筏基礎(chǔ)受均面荷載作用時(shí)，由于土與樁的相互作用，導(dǎo)致地基或群樁的豎向支承剛度發(fā)生內(nèi)弱外強(qiáng)的變化，從而沉降變形出現(xiàn)內(nèi)大外小的蝶形分布，基礎(chǔ)反力出現(xiàn)內(nèi)小外大的馬鞍形分布。由于約束狀態(tài)下的非均勻變形，受作用體也將產(chǎn)生附加應(yīng)力，基礎(chǔ)的蝶形沉降將引起基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)的整體彎矩增大。具有多元化功能的建筑結(jié)構(gòu)，需要在設(shè)計(jì)中集成在一個(gè)相同的底盤結(jié)構(gòu)上，并采用多樣化的形式進(jìn)行連接。這一類建筑結(jié)構(gòu)由于底盤能夠?yàn)槠涮峁└蟮牡叵驴臻g，因此能夠?yàn)榻ㄖ?chuàng)造更加寬松的空間，并在此基礎(chǔ)上，降低建筑的空間占地面積。具備空間底盤的建筑通常包含二層至四層的地下空間結(jié)構(gòu)，其埋設(shè)均超過10m，為了能夠提高建筑底部抗壓能力，需要增加框筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)大剛度箱基[1]。但由于這一結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中仍然處于起步階段，對于該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是否能夠?qū)崿F(xiàn)對不均勻沉降的調(diào)節(jié)，是否具備能夠承受彎曲變形的能力，都有待進(jìn)一步驗(yàn)證研究[2]?；诖耍疚膹幕A(chǔ)反力和變形特征兩個(gè)方面，針對復(fù)雜情況下建筑底盤框筏的應(yīng)用性能進(jìn)行研究。

1 資料與方法

1.1 工程概況

將高層建筑、基礎(chǔ)和地基三者分割開來的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以適應(yīng)實(shí)際要求，只有利用高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作用理論進(jìn)行計(jì)算才能得到合理的結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)對建筑底盤框筏應(yīng)用性能的探究，選擇以某地區(qū)某一大廈項(xiàng)目作為依托，該建筑總面積約為20萬m2，其中包含了地下部分建筑面積5萬m2。該建筑包含4棟不同功能屬性的建筑組成，地下包含3～4層，各棟建筑均通過底盤連接，構(gòu)成了一個(gè)完整的底盤多建筑單體聯(lián)體結(jié)構(gòu)[3]。同時(shí)，該建筑的基礎(chǔ)形式以框筏作為基礎(chǔ)，平面形狀為矩形，其長度為256.3m，寬度為52.2m，框筏柱的尺寸均未800mm×800mm，采用混凝土強(qiáng)度等級為C35的材料，框筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)埋深約為16m。由于在該建筑上完成本次實(shí)驗(yàn)的難度較大，因此在本文實(shí)驗(yàn)中針對該建筑內(nèi)基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行等比例縮放，并針對其底盤框筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬[4]。由于建筑在實(shí)際施工中其整體結(jié)構(gòu)通常與設(shè)計(jì)圖紙中給出的數(shù)值存在一定差異，因此在模擬過程中引入分步加載的方式解決這一部分差異問題，從而確保最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠充分代表該建筑結(jié)構(gòu)。同時(shí)，通過上述處理不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對該建筑底盤框筏基礎(chǔ)力學(xué)性能的分析，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對不同高度建筑相互之間的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在明確上述工程基本概況后，對實(shí)驗(yàn)中所需模型進(jìn)行構(gòu)建，并將其作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ??？紤]變形協(xié)調(diào)關(guān)系，對比常規(guī)設(shè)計(jì)分析方法，采用彈塑性三維有限元模型分析共同作用對上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基的內(nèi)力及變形影響。通過ANSYS程序建立彈塑性共同作用模型，研究上部結(jié)構(gòu)-地基-基礎(chǔ)共同作用機(jī)理，分析上部結(jié)構(gòu)剛度，筏板基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度、厚度、地基土性質(zhì)等對上部結(jié)構(gòu)、地基、基礎(chǔ)受力機(jī)理的影響。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚍ぐ搴穸葹?000mm，外挑為4000mm，框筏上兩個(gè)相鄰柱結(jié)構(gòu)的距離為1000mm×1000mm，框筏梁尺寸為500mm×650mm。構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原建筑的幾何尺寸相似比為1：10.5，由于在對其荷載進(jìn)行設(shè)定時(shí)，采用了均布荷載，因此其相似比的常數(shù)為1。圖1為建筑結(jié)構(gòu)模型立面圖。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)模型立面圖

由于實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)中建筑與地下室荷載相差較大，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中只向主樓模型施加荷載，以此能夠確保最終的結(jié)果趨于安全。在實(shí)驗(yàn)過程中，模擬施加的荷載為15kN/m2。在模型的框筏結(jié)構(gòu)上隨機(jī)選取三個(gè)區(qū)域作為研究對象，將其編號為I、II和III。

在完成上述對建筑結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建后，先對底盤框筏所在的基坑進(jìn)行輕便觸探實(shí)驗(yàn)，以此確?；觾?nèi)土質(zhì)為均勻分布，并獲取不同土層類型中的土樣，對其進(jìn)行土工實(shí)驗(yàn)，并將得出的土體力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行記錄，并繪制成表1。

表1 實(shí)驗(yàn)研究建筑底盤框筏所在基坑土體力學(xué)特征

在明確上述土體的力學(xué)特征參數(shù)后，利用加載儀器對上述選擇的三個(gè)區(qū)域施加壓力，壓力可通過電動(dòng)油泵進(jìn)行施加[5]。在對框筏上三個(gè)區(qū)域的沉降進(jìn)行測量時(shí)，選用電子位移計(jì)進(jìn)行測定，將電子位移計(jì)安裝在框筏結(jié)構(gòu)中每一根柱子的根部[6]。為實(shí)現(xiàn)對其基礎(chǔ)反力的測定，引入鋼弦式壓力盒，并將其同樣布置在框筏結(jié)構(gòu)的底部位置上。

1.3 建筑底盤框筏加載方式設(shè)計(jì)

利用上述選擇的電動(dòng)油泵向底盤框筏結(jié)構(gòu)上的三個(gè)區(qū)域分別采取不同方式施壓。其中I區(qū)域均勻設(shè)置四臺(tái)1000KN壓力；II區(qū)域均勻設(shè)置兩臺(tái)2000KN壓力；III區(qū)域均勻布置四臺(tái)1000KN壓力。各個(gè)區(qū)域上施加的總壓力相同。在實(shí)驗(yàn)過程中，按照圖2所示的內(nèi)容完成對三個(gè)區(qū)域施加壓力。

圖2 建筑底盤框筏加載方式

按照圖2所示的內(nèi)容，在第一階段，針對區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III同時(shí)施加三級壓力；在第二階段，針對區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III分布進(jìn)行施壓，先對區(qū)域I施加壓力到7級，此時(shí)區(qū)域II和區(qū)域III的荷載不發(fā)生改變，再對區(qū)域II施加壓力到7級，此時(shí)區(qū)域I和區(qū)域III的荷載不發(fā)生改變，最后將區(qū)域III的荷載增加到與區(qū)域I和區(qū)域II相同的壓力[7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄

2.1 底盤框筏基礎(chǔ)反力結(jié)果記錄

根據(jù)上述論述，嚴(yán)格按照建筑底盤框筏加載方式進(jìn)行施壓，并在這一過程中，對區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III上關(guān)鍵軸線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)反力進(jìn)行記錄，并將記錄數(shù)據(jù)繪制成表2所示。

從表2中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，三個(gè)分區(qū)在不同荷載條件下，在第二個(gè)單元的基礎(chǔ)反力均為0，說明在這一位置上并沒有產(chǎn)生基礎(chǔ)反力，因此不會(huì)受到荷載等級變化的影響。隨后，各個(gè)分區(qū)上不同荷載條件下，基礎(chǔ)反力均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢。

2.2 底盤框筏變形特征結(jié)果記錄

在完成對底盤框筏基礎(chǔ)反力變化情況相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄后，再針對底盤框筏的變形特征結(jié)果進(jìn)行記錄，從東西方向?qū)Φ妆P框筏關(guān)鍵軸線的變形情況進(jìn)行記錄，針對三個(gè)區(qū)域上不同單元的變形量進(jìn)行測定，并將得出的結(jié)果記錄入表3。

表3 不同荷載下建筑底盤框筏變形量變化情況記錄表（單位：mm）

從表3中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，在區(qū)域II中，2單元出現(xiàn)了變形量為負(fù)的情況，除此之外，其余各個(gè)區(qū)域中四個(gè)單元的變化情況基本呈現(xiàn)出相同的曲線變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 底盤框筏基礎(chǔ)反力分析

通過結(jié)合表2及實(shí)驗(yàn)得出，在不同荷載條件下，建筑底盤框筏的基礎(chǔ)反力呈現(xiàn)出均勻的分布，并且在框筏左右兩側(cè)位置上，基底的反力衰減均為零。

3.2 底盤框筏變形特征分析

結(jié)合表3得出，在東西方向上底盤框筏關(guān)鍵軸線的變形呈現(xiàn)出正向撓曲形式，底牌框筏的變形并不會(huì)受到上部結(jié)構(gòu)斷面的影響，不會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的沉降變形情況。在區(qū)域II和區(qū)域III得出的變形量記錄數(shù)據(jù)可以看出，區(qū)域II地基的變形衰減中出現(xiàn)了負(fù)值，而區(qū)域III的地基沉降變形量逐漸擴(kuò)散到了允許范圍以外，說明這一區(qū)域受到了建筑主樓結(jié)構(gòu)的共同作用，形成了一個(gè)共同影響區(qū)域，形成了有效荷載面積影響范圍。

4 結(jié)語

綜上所述，針對某一建筑的底盤框筏從基礎(chǔ)反力和變形特征兩方面進(jìn)行了研究，通過研究得出，框筏基礎(chǔ)變形量的變化具有一定連續(xù)性特點(diǎn)，因此采用框筏結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，地基不會(huì)出現(xiàn)沉降不均勻的問題。同時(shí)，通過對不同條件下底盤框筏基礎(chǔ)反力測定得出，反力的分布也為均勻形式，從中心向四周逐漸衰減，并且在共同影響范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)反力疊加的情況。