高層建筑箱形基礎與上部結構和地基共同作用淺析

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

摘   要：高層建筑與地基基礎共同作用的問題已引起了許多學者的研究和關注，本文就共同作用的機理進行了分析，并對設計提出了建設性建議。? 

  關鍵詞：共同作用；  上部結構；  基礎底板應力；  地基模型；  相鄰建筑；設計建議??             高層建筑的基礎形式多為筏板基礎和箱形基礎，當為箱形基礎時，由于上部結構和地基基礎的相互作用，從而導致內力計算的誤差，有時誤差還很大。因此，高層建筑與地基基礎的共同作用問題已越來越受到工程界的重視。高層建筑與地基基礎共同作用以下簡稱“共同作用”，即把高層建筑、基礎和地基三者看成一個整體，并且滿足地基、基礎與上部結構三者在接觸部位的變形協調條件。本文對“共同作用”的機理和設計。?    常規(guī)設計方法：把上部結構和基礎作為兩個獨立單元分別考慮，首先把基礎作為上部結構    的固定支座，在荷載作用下，求得上部結構的內力和變形以及基礎固定處的反力。此時認為    基礎沒有任何變形。然后把該反力作用于基礎上去計算基礎的內力，再把基礎的反力作用于地基上來校核地基的強度和變形。這種常規(guī)設計方法人為地把基礎和上部結構分開計算，忽略了基礎的變形和位移，忽略了上部結構對基礎的約束作用，這樣導致的結果：一是基礎彎矩和縱向彎曲過大，基礎設計偏于保守；二是沒有考慮基礎實際存在的差異沉降引起的上部結構的次應力，在某些部位（如底層梁、柱和邊跨梁、柱）低估了上部結構的內力，使這些部位計算結果偏于不安全。?    1、上部結構剛度對基礎約束的有限性  ?       上部結構的剛度是指水平剛度、豎向剛度和抗彎剛度的綜合。研究表明：隨著建筑物層數的增加，水平剛度和抗彎剛度只是在最初幾層增加較快，繼而迅速減緩，趨于某一穩(wěn)定值；而豎向剛度則隨層數增加以某種規(guī)律增加，同樣達到某一層時，趨于穩(wěn)定。所不同的是比前兩者多幾層?？梢娚喜拷Y構剛度對基礎的約束是有限的，不是隨層數的增加而無限增加的。?    2、上部結構剛度對基礎“共同作用”的影響  ?       結構剛度與施工條件（施工速度與施工方式）有著密切的關系，因此應考慮結構剛度的形    成方式。其主要有：整個結構的剛度和荷載是一次同時形成的稱為“一次形成”，本層結構剛度與本層的荷載同時形成的稱為“通層形成”，本層結構的剛度對承受本層或后幾層荷載無貢獻的稱為“滯后形成”。三種方式所形成的結構剛度所起的作用有所不同。?    2.1上部結構剛度對基礎縱向彎曲的影響?       上部結構剛度對基礎的約束，必定大大改善基礎的縱向彎曲程度，當結構剛度為“一次形成”時的縱向彎曲約為絕對柔性基礎時的1/10。但結構剛度“一次形成”過高地估計上部結構對基礎的約束作用，而結構剛度“通層形成”的縱向彎曲與實際情況比較相符。?    2．2上部結構剛度對柱荷載的影響?        在分析地基反力時發(fā)現，地基反力隨層數的增加不斷向兩端集中。同時，上部結構的柱荷載也不是豎向樓層荷載的簡單疊加。隨著層數的增加，柱荷載逐步向兩端集中，邊柱總是加載，其值隨層數的增加而變化，（有測試表明：當層數增到15層時，邊柱荷載可增加40%，這就是所謂的“次應力”。內柱普遍卸載，以中柱尤甚（有時可達到10%）。但是，柱荷載向兩端集中的效應不及地基反力顯著。由于結構剛度的有限性，這種集中效應僅表現為最初幾層變化劇烈，以后緩慢。?        結構剛度還影響著上部結構中的應力分布。對于框架結構而言，底層梁、柱的最大彎矩，除邊柱外，一般由外及里逐步衰減，到頂層中部趨于零；對于剪力墻結構，底層兩端的墻板應力，無論是豎向壓應力還是剪應力均出現集中現象。在設計中，對“共同作用”結果在底層邊柱，邊墻產生的次應力必須引起充分的注意。?    3、基礎底板鋼筋應力計算時，計算單元的變化  ?        在箱基底板設計時，把箱基作為一個單元，這和實際工程情況不符，實測結果表明：底板鋼筋應力很小。在實際工程施工時，首先澆筑底板混凝土，然后澆筑箱基，箱基剛完工時，箱基底板僅承受箱基的自重，箱基剛度尚未形成，此刻受力單元僅為底板。隨著上部結構的施工，建筑物的高度的增長，首先是整個箱基作為受力單元，以后受力單元的平面尺寸保持不變，高度不斷變化，逐漸由“橫箱”變成“豎箱”，即受力單元的高度越來越大，使箱基的寬度變成三個方向的最小尺寸。設計中，箱基和上部結構是根據結構在地面上下的位置人為劃分的，事實上它們是一個整體。因此，在荷載作用下，這樣的“豎箱”要使箱基底板產生很大的鋼筋應力是不容易的。所以，在高層建筑箱形基礎底板的設計中，用箱基作為一個受力單元來分析，底板的鋼筋應力與實際不符。計算單元應該是變化的。    4、地基模型和土性變化時對“共同作用”的影響  ?    當地基采用線性彈性模型時，隨著結構剛度的增加，基底反力不斷向邊、端部集中，基底邊緣發(fā)生過大反力是不可避免的。按此地基反力算得基礎中點彎矩將比實測地基反力大幾倍。    當地基采用非線性彈性模型時，地基反力的集中現象就有明顯的改善。當地基采用彈性模型時，即使對于絕對剛性基礎，邊緣地基反力仍比較緩和，與實際情況相接近。?        由此可見，在“共同作用”分析計算中，選擇合適的地基模型是重要的。土性的變化對“共同作用”計算結果同樣產生影響。通常，當地基土彈性模量較小時，基礎對土的相對剛度較大，地基的變形就比較均勻，而地基反力則顯得不均勻，相對剛度對地基反力產生了影響。這種分析是彈性地基的分析結果，用于地基承載力較大的硬土是符合實際的。?        對于地基承載力小的軟黏土，箱基邊緣的地基反力由于超過地基的承載力，引起箱基兩    端的地基產生塑性變形，使得地基土應力重分布，產生比較均勻平緩的地基反力。    5、相鄰建筑物對“共同作用”的影響  ?        相鄰建筑物對主體建筑“共同作用”結果的影響主要有：?    (1)與主體建筑同步建造的相鄰建筑物；?    (2)在主體建筑建好后建造的相鄰建筑物。?        如果建筑物已造好，這種影響可以忽略不計。?    相鄰建筑物是通過對主體建筑產生附加沉降參與“共同作用”的。它是隨與主體建筑的    距離遠近和不同的布局，而產生不同的影響。當相鄰建筑與主體建筑平行布置時，影響“共同作用”的效果主要是改變橫向整體傾斜。對整體傾斜的影響非常之大，并顯著改變沉降分布，甚至改變傾斜方向。為此，特別是在小區(qū)建設中，必須充分注意相鄰建筑對主體建筑的影響。 www.lubanwang.cn  www.fujianyongnian.cn    6、設計建議?      6．1地基強度校核?    如建設場地具有較穩(wěn)定的地下水位，高層建筑箱形基礎的地基強度校核應符合下式：（略）    6．2箱形基礎的沉降計算?        箱形基礎的沉降可以用規(guī)范的分層總和法計算；建議采用根據高層建筑箱形基礎實測變    形特性，來計算箱基的沉降量。?    6．3荷載重心與底板形心的關系    上部結構傳來的荷載重心應盡量與箱基底板形心重合，這是為了防止發(fā)生不利于使用的橫向整體傾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基底板懸挑或箱基懸挑的方法來解決。底板懸挑長度與底板厚度之比不宜大于4。?    6．4高層框架結構箱基底板鋼筋應力的計算?         高層框架結構箱基底板鋼筋應力計算除采用規(guī)范方法外，建議采用“共同作用”整體計算。為了簡化起見，計算單元可采用箱基加上1～3層上部結構來計算底板鋼筋應力。這樣計算的整體彎曲箱基底板鋼筋應力是符合實際的。?    6．5上部結構的次應力問題?    “共同作用”分析表明，上部結構底下兩層的邊墻、邊柱會出現過大的內力，這就是所謂的“次應力”問題。因此建議用“共同作用”方法獲得邊墻、邊柱的內力，以進行配筋設計。否則，用常規(guī)設計應適當提高其安全系數。