高層建筑筏形和箱形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算

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設(shè)計(jì)計(jì)算方法概述
箱形和筏形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是與建筑工程的需要相適應(yīng)的，是隨著建筑科學(xué)研究的深入而進(jìn)步的。當(dāng)建筑工程處于層數(shù)很少、體量很小、重量很輕的階段時(shí)，對(duì)地基基礎(chǔ)的要求不高，計(jì)算方法也很簡(jiǎn)單。后來(lái)建筑物的層數(shù)增加了，重量大了，整體式的筏形和箱形基礎(chǔ)就相應(yīng)出現(xiàn)了，因?yàn)閱慰織l形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)是無(wú)法滿足建筑物的承重要求了。而且人們?cè)谛藿ㄨF路、碼頭、船塢的過(guò)程中，逐漸認(rèn)識(shí)到了置于地基上的梁和板的受力特性和變形特性，并且將其逐步發(fā)展成一套“彈性地基”的理論。高層建筑出現(xiàn)以后，地基基礎(chǔ)的問(wèn)題變得更加復(fù)雜，人們對(duì)它的研究也更加深化了。例如對(duì)地基土的力學(xué)特性和變形特性的研究，地震作用的研究。地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)的研究，基礎(chǔ)梁、板的受力分析等等，逐一取得了豐碩的成果。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，為上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)共同作用課題的研究創(chuàng)造了條件，并且已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展。
時(shí)至今日，箱形和筏形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法種類繁多，在拙著《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算》一書(shū)有詳細(xì)介紹。此在僅作一些簡(jiǎn)要的說(shuō)明。
一、簡(jiǎn)化計(jì)算方法
簡(jiǎn)化計(jì)算方法最基本的特點(diǎn)是將由上部結(jié)構(gòu)、地基和基礎(chǔ)三部分構(gòu)成的一個(gè)完整的靜力平衡體系（圖1-2a）分割成三個(gè)部分，進(jìn)行獨(dú)立求解[7]，首先假定上部結(jié)構(gòu)的柱是嵌固在基礎(chǔ)上的(1-2b)，按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法可以求出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，包括底層柱的軸力、柱腳處的彎矩和剪力。然后將這些力反向作用在基礎(chǔ)梁或基礎(chǔ)板上，基礎(chǔ)梁或板同時(shí)承受地基反力（圖1-2c），地基反力與上部結(jié)構(gòu)荷載（包括基礎(chǔ)自重及其懸挑部分以上的土重）保持靜力平衡，并假定其按直線分布。再按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法求解基礎(chǔ)梁或板的內(nèi)力。在驗(yàn)算地基承載力時(shí)，假定基底壓力按直線分布，即認(rèn)為基礎(chǔ)是絕對(duì)剛性的。在計(jì)算地基變形時(shí)，又把基礎(chǔ)看作是柔性的，基底壓力是均布的（圖1-2d）。顯然，簡(jiǎn)化計(jì)算方法的種種假定與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的工作狀態(tài)是不符的，它僅僅滿足了總荷載與總反力的靜力平衡條件，而忽視了上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間以及基礎(chǔ)與地基之間的變形連續(xù)條件。因而上部結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)的荷載及地基反力的分布狀態(tài)都是與實(shí)際狀態(tài)有偏差的。由此也必然造成基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算的偏差和地基計(jì)算的偏差。盡管簡(jiǎn)化計(jì)算方法存在這些人所共知的缺點(diǎn)，但許多設(shè)計(jì)人員仍然樂(lè)于使用它。原因就在于它簡(jiǎn)單方便，而且力學(xué)概念大致清楚。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員還會(huì)根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)采取一些措施，例如調(diào)整或增大某些部位的地基反力，增加一些構(gòu)造鋼筋等等。以保證基礎(chǔ)的安全和正常使用。
 
     圖1-2  結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)化計(jì)算方法示意
 (a)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；(b)上部結(jié)構(gòu)；
 (c)基礎(chǔ)計(jì)算簡(jiǎn)圖；(d)地基變形計(jì)算荷載圖。

    1．筏形基礎(chǔ)
首先將筏形基礎(chǔ)視為一倒置的平面樓蓋，地基反力按直線分布，作為荷載作用在平面樓蓋上。對(duì)于平板式筏基即可按多跨連續(xù)雙向板計(jì)算其內(nèi)力。對(duì)于梁板式筏基，可將地基反力按45°線劃分范圍（圖1-3），陰影部分作為傳遞到橫向肋梁上的荷載，其余部分作為傳遞到縱向肋梁上的荷載。然后按多跨連續(xù)梁分別計(jì)算縱向和橫向肋梁的內(nèi)力。這就是所謂的“倒梁法”。但是按倒梁法求出的支座反力與原柱荷載不同，二者存在一個(gè)差值。為修正這一差值，原上海市民用建筑設(shè)計(jì)院提出了“調(diào)整倒梁法”。調(diào)整的方法是將支座反力與柱荷載的差值均勻分配在該支座兩側(cè)各1/3跨度內(nèi)，作為地基反力的調(diào)整值，與原地基反力疊合成階梯狀的反力，再按此反力重新計(jì)算肋梁的內(nèi)力。經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整，支座反力即可與原柱荷載趨于一致。