地基基础与上部结构的共同作用研究
2015-07-08
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核心提示：本文阐述了分析地基基础与建筑结构共同作用的具体方法和手段，着重讨论了重点问题，综合总结了当前研究文献，通过工程实例论证了共同作用的设计方法，并详细分析了其效果。
一、引出问题
1.常规分析方法
现实工作中，计算建筑结构设计时，一般单独来分析建筑结构、基础以及地基，而不是将三者作为有机整体来计算静力平衡。这种计算方法存在诸多不合理之处。
2.常规方法评价
对土质状况较好的地基基础和单层排架结构的建筑，上述方法具有较强的实用性，但依然存在几点不足之处：首先，用上述方法计算单层砖石砌体承重结构和条形基础，得出结果会严重偏离实际情况；其次，上述方法不适用于钢筋混凝土框架结构下的条形基础，也存在较大误差；最后，上述方法对高层建筑剪力墙结构下箱形基础得出的计算结果也不够理想。
3.合理的分析计算方法
任何建筑物都是有地基、基础和建筑框架构成的有机整体，常规方法将这三者视为独立的计算对象，显然是不符合自然规律的，计算结果也会出现不小的误差。而合理的设计计算方法将它们作为有机联系的整体来分析，具有很好的科学合理性。
二、研究现状
自1970年代以来，计算机技术以及运算方法取得了长足进步，建筑物相互作用的问题受到学术界的普遍重视，我国学者也围绕这一课题开展了多项研究工作，并取得了突出成就，大大提高了建筑领域施工效率和质量。
1.试验研究
同济大学教授杨敏为分析筏基板厚度变化对上部结构和筏板内力的影响，专门进行了室内模型试验.最后实验结果表明，产生于上部结构中构建的内力是随着筏板厚度变化而变化的，并最终趋向于接近绝对刚性基础下的内力值.该实验结果的可信性得到了其他计算理论的验证。随着基础板刚度的变化，外框柱和内筒墙之间的荷载分配也将发生变化，上部结构与基础之间的共同作用效应主要发生在上部结构的底部几层。
2.整体承载能力的概率分析
结构体系的承载能力分析是结构体系可靠度分析的重要内容。结构体系极限承载能力受到多面因素的影响，对桩基结构建筑物而言，最典型的就是结构—桩—土相互作用的影响。华中科技大学的张品良，将上部结构和桩基视为整体来研究，充分考虑桩、土之间的作用力，以及对结构体系的影响.计算出了单桩承载能力的概率分布，最后提出了具有结构—桩—土相互作用的结构体系承载能力的概率特性.最后研究发现，可以忽视桩基结构—桩—土的相互作用对其承载能力的影响；由于在模型的选择上具有很大不固定性，可以通过非线性逐步破坏分析方法来确定桩基结构体系的承载能力。
3.土与结构的动力相互作用
在外力影响下，土与结构的动力相互作用对结构的动力响应和地基的稳定性都会发生变化。另一方面，相对于刚性的基础和上部结构的存在，在很多重要方面影响作用于结构上的有效的地震激励，由于相对刚性的基础的散射，产生了不同于自由场运动的输入地震波。所有以上这些现象都是土、基础和上部结构相互作用的结果。
土与结构的动力相互作用与其它动力学问题之间的最主要的区别在于土介质是无界域，因而其困难也在于土介质无界域的分析。在分析中必须处理波的能量向无界域的辐射问题。目前分析土与结构相互作用的方法主要如下几种。
3.1直接分析法
将整个土-基础-结构系统对于预先给定的自由场环境的完整响应一步求解出来。
3.2多步方法
将结构和土视为独立的结构部分，第一步确定与结构相联界面上的力—位移关系，称之为土的动力刚度分析，而动力刚度在物理意义上可理解为广义弹簧；第二步，分析由此广义弹簧支撑的结构，它的荷载由自由场的运动来确定.
3.3基于物理近似的分析方法
即引入必要的物理假设，这样的解对埋置基础或桩是适用的，特别是在设计中的应用有很大的吸引力。
4.采用共同作用设计方法的基础设计实例
地基基础与上部结构共同作用的研究近年来虽取得了一定的进展，但一直未能付诸应用.建设部八五课题“带裙房高层建筑地基基础与上部结构共同作用工作计算方法”课题组经大型模型试验、工程测试、理论分析、计算程序编制等系统研究，形成了可供实际应用的地基基础与上部结构共同工作计算方法。
4.1工程介绍，某市政府机关大楼工程为多功能建筑，占地面积12000平方米，总建筑面积约60000平方米。大楼共45层楼，地下2层，总高度180米；附属楼地下1层，地上5层，大底盘的主楼与裙房在荷载上与刚度上相差较大。
4.2共同作用的设计及计算方法，该工程从承载力与沉降变形两方面的控制来设计，主楼采用复合桩基，裙楼采用天然地基设计。
4.3设计结果采用地基基础与上部结构共同作用计算方法，以此提高设计的可信度，使布桩更为科学；利用桩间土和裙房地基土分担荷载，可有效减低桩的数量；并能确定是否设置后浇带或沉降缝，和确定上部结构是否考虑次内力需进行加强等；筏板受力配筋更趋合理经济；显著压缩了工程造价并加快了工程进度。
三、发展趋势
由于地基基础与上部结构共同作用的设计方法尚待完善，目前考虑三者共同作用的设计思路是除了满足静力平衡条件外还应以变形控制为设计原则，同时考虑上部结构、地基和基础的刚度对整体和相互间的影响.如何以较简便且精度较好的计算方法加以分析和设计是目前不少研究者感兴趣的内容。
四、结束语
对建筑物上部结构与地基基础相互作用的研究，属于建筑行业的重点研究科目，对剖析建筑结构物内在工作原理具有较大帮助，这些年来许多学者取得了这方面研究的重大突破。该类研究科目是一项十分复杂的工作，涉及到计算模型的建立、制定建筑结构物变形标准、地基变形能力评估等一系列难题，而地基与建筑结构又与这类问题密切相关。基础相互作用模型进入工程实际应用的可行性。因此在开展这类研究工作时，应强调和工程实际的结合，以获得更好的应用效果。
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