高層建筑中結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的作用關(guān)系

1、 試論高層建筑中結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的作用關(guān)系摘要:隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,猶如雨后春筍般的高層建 筑,在各大城市拔地而起。高層建筑與普通建筑的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)都不 同,由于受力復(fù)雜的問題,高層建筑對地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、強度和 剛度都有著更加嚴(yán)格的要求,所以,高層建筑的結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)之 間共同作用的問題,成為了所有高層建筑的分析中首先要解決的難 題。文章介紹了高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用的概念,闡 述了上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間共同作用的分析等,進(jìn)一步說明了高 層建筑中結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的作用關(guān)系。關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu);地基基礎(chǔ)中圖分類號:tu208.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a 文章編號:高層建筑與普通建筑物

2、有著很大的不同,因為建筑物高的的增加, 水平荷載數(shù)值和建筑物垂直數(shù)值也會較大。水平荷載的內(nèi)容主要是 動力荷載、風(fēng)荷載還有一種是地震荷載,水平荷載所引發(fā)的剪力和 彎矩的迅速加大,所帶來傾覆力矩也同樣成倍增加,還能起到控制 設(shè)計的作用。所以要求地基和基礎(chǔ)能夠提供更高的水平和豎直承載 力,同時把傾斜和沉降量控制在一定的范圍之內(nèi),并且暴增建筑物 在地震荷載和風(fēng)荷載作用之下還能具有足夠程度的穩(wěn)定性。還有, , 因為高層建筑的上部結(jié)構(gòu)有著很大的剛度,而且與地基和基礎(chǔ)處在 一個共同作用的整體系統(tǒng)當(dāng)中。但是,不可忽視的是,長期以來的 計算手段不高,在分析高層建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之時,首先把上部結(jié)構(gòu) 認(rèn)為絕對剛性,不

3、理會共同作用,之考慮基礎(chǔ)和地基的共同作用, 一直到最近十幾年來,有了大量高層建筑實踐的豐富,還得益于計 算機及其技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用,才得以解決這一問題,為高層建 筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用的分析提供了可能性。一、高層建筑中上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用的整體分析概念 高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)之間的共同作用,也就是將高層建 筑的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計、地基基礎(chǔ)之間看做一個統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)。滿足 他們在連接部位的變形協(xié)調(diào),然后用共同作用得到整個系統(tǒng)的內(nèi)力 和變形的方法我們就成為兩者共同作用的分析方法。在以往傳統(tǒng)的 高層建筑設(shè)計當(dāng)中,基本都只考慮地基和基礎(chǔ)之間的相互作用關(guān) 系,而忽略了建筑上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間

4、的共同作用,所以,并不能 完全、真實的得到高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)之間的受力情況。 傳統(tǒng)的設(shè)計方法分為兩類:一類是把高層建筑上部結(jié)構(gòu)的剛度看 做是無窮大的,這種方法,不會老驢高層建筑上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)地基 之間的共同作用關(guān)系,在以前計算方法不完善的時代,這是當(dāng)時唯 一的方法。另一類我們叫做常規(guī)方法,與初等方法相對應(yīng)的是,這 種方法將基礎(chǔ)的剛度考慮為無限大,得出高層建筑上部結(jié)構(gòu)作用在 在基礎(chǔ)頂面上的固端反力,然后把這一反力作用在基礎(chǔ)之上,考慮 的是基礎(chǔ)和地基的共同作用,忽略上部結(jié)構(gòu)的影響,這種方法并不 完全,但是因為高層建筑上部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,其計算手段也有很大 的限制,所以,一直到現(xiàn)在,常規(guī)方法還

5、在被廣泛應(yīng)用。以上的兩 種方法都沒沒有考慮高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)之間的相互租 用,所以,并不能真實有效的反映出高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ) 之間的受力情況。忽略兩只之間的任何一方,都只能得到一個錯誤 的分析狀況。所以,高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)之間共同作用的 分析方法,成為了當(dāng)前社會的主流研究方法。二、高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)之間共同作用的研究方法 1、有限元方法有限元法是現(xiàn)在結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中最有效,也是最常用的分析方法, 這種方法把無限的具有自由度的結(jié)構(gòu)連續(xù)起來,離散化成只有有限 的自由度而且僅僅在單元節(jié)點上連接的單元集合體。對每個單元進(jìn) 行單獨的計算分析,然后把所有單元的特性聯(lián)系到一起,集

6、合起來 起來分析的方法,2、邊界元法邊界元法是近年來一個新出現(xiàn)的數(shù)值分析方法。和有限單元相比 較的話,它只是在物體的邊界還是那個做有限元的離散,但是不用 再建筑內(nèi)部做單元劃分,這樣做在很大程度上減小了節(jié)點數(shù)目,提 高了計算速度, 但是目前來說, 這一算法在某些方面還不是很成熟, 所以其計算受到諸多限制,還沒有被廣泛的應(yīng)用。3、解析法解析法是使用彈性力學(xué)科當(dāng)中的解答對高層建筑上部結(jié)構(gòu)和地基 基礎(chǔ)之間作用進(jìn)行分析的。因為這一方法簡便易行,指利用了彈性 力學(xué)中的解答,所以沒有必要進(jìn)行但元離散等繁復(fù)的工作,編制程 序十分方便,所需要的時機也很少,所以在實際工程建筑當(dāng)中,這 一算法被廣泛運用。三、高層建

7、筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間共同作用分析高層建筑一般采用的基礎(chǔ)形式有兩種:樁箱基礎(chǔ)和箱筏基礎(chǔ)。隨 著高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的共同作用理論和實踐的深 入,人們對于高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的共同作用的分 析、認(rèn)識也越來越深刻。目前來說大致可以歸納為以下幾點: 1、有限性的上部結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)高層建筑上部結(jié)構(gòu)的剛度是是由豎向剛度、水平剛度、抗彎剛度 三個方面組成的。一般情況下,隨著建筑物層數(shù)的增加,抗彎剛度 和水平剛度在最初幾層增加較快,而后會快速的減小,直到一個穩(wěn) 定的數(shù)值;但是豎向剛度不同,它是按照一定規(guī)律,隨著建筑層數(shù) 的不斷增加而增長的,知識它也會因為建筑物達(dá)到一定層數(shù)而趨于 穩(wěn)定,所以,

8、我們說上部結(jié)構(gòu)的剛度對地基基礎(chǔ)的作用是具有有限 性的。2、結(jié)構(gòu)剛度對共同作用的影響高層建筑的結(jié)構(gòu)鋼都與施工方式有著非常密切的關(guān)系,在分析高 層建筑物結(jié)構(gòu)鋼都的同時,要考慮結(jié)構(gòu)剛度形成的方式。這種方式 可以分為結(jié)構(gòu)剛度逐層形成、整體結(jié)構(gòu)剛度一次形成和獨層結(jié)構(gòu)的 之后形成三種,他們對于整體建筑物結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)是不同的。 (1 、結(jié)構(gòu)剛度對柱荷載的影響高層建筑物隨著層數(shù)的逐漸層架,其柱載荷也是逐步的向兩端集 中,邊柱不斷加載,而內(nèi)柱則不斷卸載,特別是中柱,表現(xiàn)的最為 明顯。但是柱荷載面不斷集中到兩端的效應(yīng)還不如地基反力表現(xiàn)的 強烈。因為結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)是有限的,這中荷載集中的效應(yīng)知識在 最開始的基層變

9、化劇烈,隨后就開始緩慢了。(2 、結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)縱向彎曲方面的影響結(jié)構(gòu)剛度對高層建筑物的貢獻(xiàn),體現(xiàn)在基礎(chǔ)方面的是肯定是對基 礎(chǔ)縱向彎曲程度上的改善。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度一次成形的時候,縱向彎曲 大約只有絕對柔性基礎(chǔ)的 10%,而逐層形成的結(jié)構(gòu)剛度,所得到的 縱向彎曲和實測的結(jié)果比較吻合。同時,上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分配也受結(jié)構(gòu)的剛度的影響,在設(shè)計過 程中,對高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的共同作用結(jié)果在建筑 底層邊柱和邊墻多產(chǎn)生的次應(yīng)力也要引起充分的重視。(3 、地基模型以及土性的變化對共同作用的影響地基模型以及土性的變化,對高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間 的共同作用的影響也很大,地基模型的選擇,在共同作用的

10、分析過 程中的作用使很重要的?；A(chǔ)荷載和上部結(jié)構(gòu)相同的時候,隨著地 基土性變軟,縱向彎曲和基礎(chǔ)內(nèi)力相應(yīng)的就增大了,高層建筑上部 結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力會產(chǎn)生變化,反之,其影響卻不是很明顯。同時我們還要注意很多外部因素對高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的共同作用關(guān)系的影響。比如：高層建筑與相鄰建筑物之間共 同作用的互相的影響、對地基反力分布情況的影響以及對高層建筑 物整體傾斜的影響等等，這些外部因素對于高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地 基基礎(chǔ)之間的共同作用關(guān)系分析也起著很大的作用。 結(jié)語： 總體來看，高層建筑的上部結(jié)構(gòu)是具有很大剛度的，上部結(jié)構(gòu)與 地基和基礎(chǔ)之間相互聯(lián)系，在一個完整的建筑體系當(dāng)中共同作用， 高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的共同作用的問題是很復(fù)雜的， 需要大量繁復(fù)的分析和大量的計算工作，并且基本無法通過實驗來 進(jìn)行檢驗計算結(jié)果，而建筑物建成后的實際資料也是不容易得到。 不同的分析計算方式所得出的計算結(jié)果可能也會也是大相徑庭。目 前，高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間的共同作用的關(guān)系已經(jīng)逐漸 引起了科研界和工程界的關(guān)注和重視。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的快速 發(fā)展和大量高層建筑的不斷建設(shè)，高層建筑上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之 間的共同作用關(guān)系的研究也將會越來越深入。 參考文獻(xiàn)： 1 黃立華.地基基礎(chǔ)與