高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化分析研究

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【摘要】針對高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)受力不明確、影響因素多、研究難度大的現(xiàn)狀，本論文對高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡化研究，首先分析了當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)借助于有限元計(jì)算方法，對結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，有助于進(jìn)一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平。

　　【關(guān)鍵詞】高層建筑；建筑工程；結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)　 　　1 引言 　　隨著高層建筑的興起和持續(xù)發(fā)展，在高層建筑基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，隨著城 市化程度不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑越來越多。目前，超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在很多方面還不夠完善，可謂是理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。而針對超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作的需要來看，對一些問題還需要深入的研究。工程現(xiàn)場實(shí)測和模型試驗(yàn)均已證明結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的地基反力，既不是直線型分布，也不符合彈性地基理論的計(jì)算結(jié)果。為此有必要開展對高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研究。 　　近來，雖然對結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)進(jìn)行了理論研究，但是對其工作機(jī)理認(rèn)識還不夠深刻，對樁土分擔(dān)荷載，及其各部分的應(yīng)力計(jì)算還需要深入分析研究。此外，對上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同作用問題的研究尚未進(jìn)入工程實(shí)用階段，特別是地震作用下的共同作用分析，現(xiàn)有的工程規(guī)范涉及很少。本論文重點(diǎn)對高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡化分析設(shè)計(jì)，以期從中能夠找到合理可靠的簡化結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，并以此和廣大同行分享。 　　2 高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用現(xiàn)狀 　　目前實(shí)際工程中，很多樁基工程試樁設(shè)計(jì)與靜載試驗(yàn)結(jié)果不相符。靜載試驗(yàn)結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)師通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，修改加密樁基設(shè)計(jì)圖予以補(bǔ)救，這樣靜載試驗(yàn)結(jié)果超過設(shè)計(jì)要求太多，雖然安全性更易得到保證，但太保守的設(shè)計(jì)降低了經(jīng)濟(jì)效益。在建筑業(yè)這種情況是要進(jìn)行優(yōu)化的，超過設(shè)計(jì)太多需要進(jìn)行二次試樁，項(xiàng)目建設(shè)周期也隨之延長。如果設(shè)計(jì)師等靜載試驗(yàn)結(jié)果出來再進(jìn)行樁基施工圖的設(shè)計(jì)，既影響整個(gè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度，也滿足不了建設(shè)的需要。解決單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果與試樁設(shè)計(jì)偏差過大的問題，也就是怎樣使試樁設(shè)計(jì)盡量接近單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果，又簡便又精確地對單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估計(jì)是值得研究的。 　　在樁基工程實(shí)踐中，應(yīng)用最廣的是在豎向荷載作用下的樁，豎向荷載作用下的樁土相互作用問題對樁基的設(shè)計(jì)和施工影響很大，因此，國內(nèi)外的大量的研究工作者在這一領(lǐng)域里做了很多工作，提出了很多計(jì)算方法。但關(guān)于樁群向鄰近土傳遞應(yīng)力的機(jī)理，至今還有許多方面尚未弄清。 　　多年來，許多學(xué)者致力于“樁基礎(chǔ)”理論和試驗(yàn)研究，得出了了眾多的成果。但是由于問題本身的復(fù)雜性，樁基礎(chǔ)受承臺剛度、樁基承臺連接條件、樁基體系傳力機(jī)制及單樁和群樁工作形態(tài)差別等的影響，使其與一般的土一結(jié)構(gòu)相互作用的問題大不相同，是巖土工程界目前尚未很好解決的難題。遠(yuǎn)未形成一套系統(tǒng)的理論和簡便實(shí)際的計(jì)算方法。特別是在工程應(yīng)用上，所進(jìn)行的工作相對較少，有必要進(jìn)行更加系統(tǒng)地分析研究。 　　3 高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)簡化設(shè)計(jì)分析 　　高層建筑結(jié)構(gòu)作用在基礎(chǔ)上的荷載大，基礎(chǔ)埋置深，一般設(shè)置地下室并常常有作為人防工程或地下停車庫等要求，因此，基礎(chǔ)工程的材料用量多、施工復(fù)雜且施工周期長，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對建筑總造價(jià)有很大影響。高層建筑的基礎(chǔ)除極少數(shù)可直接建于堅(jiān)硬的巖石上以外，一般采用鋼筋混凝土片筏式基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，而樁基礎(chǔ)是高層建筑最常用的基礎(chǔ)形式。樁基礎(chǔ)具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降量小且均勻等優(yōu)點(diǎn)，還能承受一定的水平力和上拔力，承受動(dòng)荷載的性能也較好。 　　就高層建筑物的上下部相互作用問題來講，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論所采用的許多假定使其在不同程度上回避了樁-土-結(jié)構(gòu)間相互作用的全面分析。如：地基反力系數(shù)法把土體對樁的反力作用等復(fù)雜因素通過Winker假定，簡化成單純的反力系數(shù)作用于樁上，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算理論本質(zhì)上都未徹底解決樁-土相互作用力學(xué)機(jī)制的分析問題。對于高層建筑物的相互作用分析，必須將結(jié)構(gòu)-樁-土體系作為一個(gè)整體來考慮。顯然用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論來更貼切地分析這一實(shí)際問題還是有些困難的。就目前的分析手段來講，有限元法是個(gè)前景較好的方法，除了有限元數(shù)值模型能夠充分地考慮諸如：土體材料性質(zhì)的空間差異性、力學(xué)響應(yīng)的非線性，復(fù)雜的幾何邊界條件等，而且還能夠通過適當(dāng)?shù)臄?shù)值技術(shù)模擬工程施工過程，以及由此而帶來的一些施工力學(xué)問題等各類復(fù)雜的耦合因素外，其思想和實(shí)現(xiàn)過程也都較為簡單和統(tǒng)一，因此適于編程和電算，極大的簡化了樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的計(jì)算設(shè)計(jì)工作量。 　　在設(shè)計(jì)方法上進(jìn)行簡化考慮，由于結(jié)構(gòu)分析的有限元法(特別是子結(jié)構(gòu)分析技術(shù))的進(jìn)展和計(jì)算手段的極大改善，在力求從理論上回答工程實(shí)踐中提出的各種問題的艱苦努力過程中，逐步發(fā)展到了這個(gè)階段。其主要特點(diǎn)是統(tǒng)一考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基三者的共同作用，以離散形式的特征函數(shù)——地基剛度矩陣[Ks]表征地基土支承體系的剛度貢獻(xiàn)，運(yùn)用空間子結(jié)構(gòu)方法，將上部結(jié)構(gòu)的剛度與荷載逐層向下凝聚到基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)的上部邊界，形成全部上部結(jié)構(gòu)的等效邊界剛度矩陣[場]和等效邊界荷載向量{SB}。將它們疊加到基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)上去，并根據(jù)基礎(chǔ)與地基按觸點(diǎn)靜力平衡和位移協(xié)調(diào)條件，就可得到考慮三者共同作用的基本方程(并可反映根鄰建筑的影響)：　　 　　上式中： 　　[K]——基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)剛度矩陣； 　　[KB]——上部子結(jié)構(gòu)的邊界剛度矩陣； 　　[ ]——地基剛度矩陣； 　　{U}——基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)的位移列向量； 　　{Q}——基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)的荷載列向量； 　　{SB}—上部子結(jié)構(gòu)的邊界荷載向量； 　　{ }相鄰建筑引起的沉降列向量。 　　求解該方程后得到基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移{U}，再從下向上逐層進(jìn)行子結(jié)構(gòu)回代即可得到上部結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的位移，從而進(jìn)一步給出所需節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力。除采用子結(jié)構(gòu)法外，對上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)先后作過許多簡化考慮，提出不少簡單可行的分析途徑，它們與子結(jié)構(gòu)有限元法相輔相成，例如彈性桿法、有效工作剛度法、加權(quán)殘數(shù)法等，不過一般都將上部結(jié)構(gòu)處理為平面結(jié)構(gòu)。 　　4 結(jié)語 　　高層建筑已經(jīng)成為當(dāng)前建筑領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和發(fā)展潮流，如何面對高層建筑下的結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是當(dāng)前建筑工程技術(shù)人員重點(diǎn)解決的問題之一。本論文結(jié)合高層建筑的結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)，利用有限元的計(jì)算方法，對結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了簡化分析設(shè)計(jì)，對于進(jìn)一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的簡化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有限元技術(shù)下的結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的受力計(jì)算應(yīng)用，具有一定的指導(dǎo)意義，本論文的簡化計(jì)算方法是值得推廣的。 　　參考文獻(xiàn)： 　　[1]趙西安.我國高層建筑的最近發(fā)展[M].史佩棟等.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000. 　　[2]吳永紅,鄭剛,閏澎旺.多支盤鉆孔灌注樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算理論與方法[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000, 22(5):528-531. 　　[3]馮國棟,劉祖德,黃紹鏗.群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞參數(shù)值確定[C].第五屆土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議論文選集,中國建筑出版社,1990.