高層建筑上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)箱形基礎(chǔ)的影響

高層建筑上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)箱形基礎(chǔ)的影響李玉勇(淮南市房開(kāi)建筑安裝工程有限責(zé)任公司,安徽淮南232007)摘要：本文著重論述了高層建筑上部結(jié)構(gòu)對(duì)箱形基礎(chǔ)的影響，并對(duì)該領(lǐng)域目前所存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：上部結(jié)構(gòu)箱形基礎(chǔ)共同作用影響一、引言箱形基礎(chǔ)的整體性能好，自身剛度大，具有較強(qiáng)的地基應(yīng)力補(bǔ)償作用，使其被廣泛用作高層建筑基礎(chǔ)，尤其在地基土軟弱的情況下。在高層建筑的設(shè)計(jì)中普遍使用的方法是先把上部結(jié)構(gòu)隔離出來(lái)，并用固定支座來(lái)代替基礎(chǔ)求得上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及支座反力，接著把支座反力作用于基礎(chǔ)上，用材料力學(xué)方法求得地基反力，從而得到基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，再把地基反力作用在地基上來(lái)校核地基強(qiáng)度和變形。這種設(shè)計(jì)方法忽略了基礎(chǔ)的變形和位移，人為地把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分開(kāi)計(jì)算。通過(guò)工程實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)實(shí)際內(nèi)力往往與常規(guī)設(shè)計(jì)理論值有很大差距，底層梁柱和邊跨梁柱尤為明顯，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂。相反，基礎(chǔ)的內(nèi)力則比常規(guī)設(shè)計(jì)理論值小得多。有人曾估算，按傳統(tǒng)方法計(jì)算，箱基底板的鋼筋應(yīng)力超過(guò)了100MPa，實(shí)測(cè)僅為30MPa左右，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法既不經(jīng)濟(jì)，也不安全，因此在設(shè)計(jì)中需要對(duì)建筑物進(jìn)行整體的綜合考慮，即考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用。由于箱基在結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的特殊性與復(fù)雜性使得它的造價(jià)對(duì)整個(gè)建筑物經(jīng)濟(jì)性的影響明顯，因而經(jīng)濟(jì)、安全的箱基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。二、上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用機(jī)理假定箱基為絕對(duì)剛性時(shí)，地基只發(fā)生均勻沉降，箱基底板在縱、橫墻間還將發(fā)生局部彎曲。在上部框架節(jié)點(diǎn)荷載下，梁柱節(jié)點(diǎn)將不產(chǎn)生彎矩。在底層柱底部節(jié)點(diǎn)彎矩和柱的上、下端彎矩引起的剪力和重新分布的軸向力反作用于基礎(chǔ)頂部，基礎(chǔ)內(nèi)各截面將產(chǎn)生彎矩、剪力和軸向力。當(dāng)箱基不能視為絕對(duì)剛性時(shí)，上部框架將作為整體與基礎(chǔ)和土共同作用，在上部荷載和箱基重量作用下與基土共同變形。所謂共同變形是指各種變形的協(xié)調(diào)，即在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各節(jié)點(diǎn)（包括柱與箱基連接處）旋轉(zhuǎn)角，柱的側(cè)移和軸向變形差以及基礎(chǔ)底板下面各點(diǎn)與土的接觸條件。由于考慮基礎(chǔ)非絕對(duì)剛性，因此上部框架柱與箱基連接的節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生不均勻位移，而使框架梁、柱產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)彎矩。隨著上部結(jié)構(gòu)逐漸向上增高，荷載不斷增大，與箱基形成整體的結(jié)構(gòu)體系剛度也不斷增大。由于荷載的增大，結(jié)構(gòu)不斷下沉，處于受拉區(qū)域的箱基出現(xiàn)裂縫后剛度降低，基礎(chǔ)兩端將呈上翹趨勢(shì)。這一趨勢(shì)使基底兩端反壓力減小，但是基礎(chǔ)上翹受到上部結(jié)構(gòu)的約束，導(dǎo)致在上部結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，邊柱軸力加大，中間柱減小，同時(shí)產(chǎn)生向外作用的剪力和柱下內(nèi)邊受拉的彎矩增量。由于這一內(nèi)力重分布作用，將使箱基由于承受反向彎矩而導(dǎo)致其承受整體彎曲的總彎矩減小，上述反向彎矩使箱基頂板壓應(yīng)力減小，并有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，亦即使中和軸不斷上移而移至位于上部結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，反向彎矩使基底邊上反力增大，基礎(chǔ)上翹使其減小，這樣減小和增大不斷調(diào)整，基底反力隨上部荷載增大而增大的量有可能接近常數(shù)。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載重分布后（愈向上荷載向邊上集中作用愈小）為均布或接近均布時(shí)，這時(shí)向上的基礎(chǔ)反壓力和向下的上部結(jié)構(gòu)荷載引起的整體彎矩即不隨荷載的增大而增大或增大很少。三、上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)地基基礎(chǔ)的影響上部結(jié)構(gòu)的剛度是水平剛度、豎向剛度和抗彎剛度的綜合。上部結(jié)構(gòu)剛度的增加會(huì)使基礎(chǔ)承受的總彎矩減小，但是通過(guò)對(duì)一些工程進(jìn)行實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)剛度并不是隨著上部結(jié)構(gòu)的增加而無(wú)限制的增加，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加到一定程度時(shí),對(duì)基礎(chǔ)的影響將趨于一個(gè)定值。隨著層數(shù)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(shù)增加以某種規(guī)律增加，同樣達(dá)到某一層時(shí)，亦趨穩(wěn)定。圖1為實(shí)測(cè)的高層建筑箱基底板的鋼筋應(yīng)力與層數(shù)的關(guān)系。圖1實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力力σ與層數(shù)n的關(guān)系曲曲線

a－上海四四平大樓16號(hào)鋼筋;b－北京中中醫(yī)院2號(hào)鋼筋;

c－北京604號(hào)工程1號(hào)鋼筋。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)時(shí)，填充墻與框架共同工作將大大增加結(jié)構(gòu)的剛度。同時(shí)結(jié)構(gòu)剛度與施工條件具有密切關(guān)系，尤其上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度要考慮剛度的形成方式。它可分為：認(rèn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和荷載是一次同時(shí)形成的稱為“一次形成”，認(rèn)為本層結(jié)構(gòu)剛度與本層的荷載同時(shí)形成的稱為“逐層形成”，認(rèn)為本層結(jié)構(gòu)剛度對(duì)承受本層或后幾層荷載無(wú)貢獻(xiàn)的稱為“滯后形成”。箱形基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土底板、頂板及一定數(shù)量的內(nèi)隔墻構(gòu)成的剛度很大的箱形結(jié)構(gòu)，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)時(shí)，要同時(shí)考慮基礎(chǔ)的整體彎曲和局部彎曲，而整體彎曲受到上部結(jié)構(gòu)剛度的影響。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，僅需考慮局部彎曲。建筑物基礎(chǔ)的內(nèi)力、基底反力的大小與分布以及地基沉降量，除了與地基的特性密切相關(guān)外，還受基礎(chǔ)本身與上部結(jié)構(gòu)剛度大小所制約。上部結(jié)構(gòu)剛度不但對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，對(duì)地基反力的影響也很大。基底反力曲線形狀在隨著上部結(jié)構(gòu)層數(shù)增加而不斷調(diào)整至穩(wěn)定形狀(多為馬鞍形)后，基底反力隨上部荷載增大而增大的量值近似常數(shù)，反映出上部結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)剛度的有限性。影響地基反力分布的因素很多，有建筑物荷載分布及其大小，基礎(chǔ)的埋深，基底平面的形狀和尺寸，基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度，相鄰建筑物的影響，地基土的性質(zhì)以及施工條件等。地基反力的確定是地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，一旦地基反力確定后，其它問(wèn)題就容易解決?；A(chǔ)與地基土之間的相對(duì)剛度不同會(huì)影響接觸面的反力與變形，基礎(chǔ)剛度較大而地基土比較軟弱時(shí)，地基反力近似于直線分布，如地基土堅(jiān)硬而基礎(chǔ)剛度較小時(shí)，荷載與地基反力兩者的分布有著明顯的一致性，而基礎(chǔ)內(nèi)力很小。四、目前存在的問(wèn)題自從1947年G.G.Meyerhof提出基礎(chǔ)與上部共同作用問(wèn)題，人們進(jìn)行了大量研究，也取得不少成果，但是還有許多問(wèn)題有待解決。現(xiàn)在所使用的《高層建筑箱形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JGJ6-80）第4.0.9條規(guī)定，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架體系，計(jì)算整體彎曲所產(chǎn)生的彎矩時(shí)，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)與箱基的共同工作。箱基承受的整體彎矩M可按下式計(jì)算：式中：M——整體彎曲產(chǎn)生的彎矩；——箱形基礎(chǔ)剛度，其中E為箱形基礎(chǔ)混凝土彈性模量，I為按I字形截面計(jì)算的箱形基礎(chǔ)慣性矩；——上部結(jié)構(gòu)的總折算剛度，該公式考慮到上部結(jié)構(gòu)將承擔(dān)部分整體彎矩，但不能反映上部結(jié)構(gòu)參與共同作用后，柱荷載的重分布和底部柱子對(duì)基礎(chǔ)的約束作用，也未能反映上部結(jié)構(gòu)剛度（貢獻(xiàn)）的有限性和剛度滯后情況，具有局限性，但是目前尚無(wú)更加合理、簡(jiǎn)單、實(shí)用的公式可供設(shè)計(jì)人員使用。共同作用分析比較復(fù)雜、難度大，通過(guò)理論研究和對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，已得到了一些定性的結(jié)論，可用于工程的實(shí)踐?，F(xiàn)在更重要的是能給出共同作用的定量分析，共同作用課題的研究是上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基的結(jié)合，由于影響因素很多，互相結(jié)合成一個(gè)整體進(jìn)行研究，非常復(fù)雜和困難，主要表現(xiàn)在建筑物的施工和使用期間，地基變形的變化規(guī)律，建筑物剛度的變化，它們之間的相互影響，地基的差異變形引起建筑物內(nèi)部荷載和應(yīng)力的重分布，在施工期間的施工條件對(duì)地基變形和建筑物剛度的影響，高低建筑物基礎(chǔ)的差異沉降，樁箱（筏）基礎(chǔ)的差異沉降和變形規(guī)律，樁與筏（箱）分擔(dān)上部荷載的關(guān)系及其影響因素等問(wèn)題。目前工程界普遍采用的設(shè)計(jì)方法仍然是把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基隔離開(kāi)來(lái)分別考慮，這種方法由于忽視共同作用，與實(shí)際情況不相符合，結(jié)果往往造成設(shè)計(jì)不是偏于不安全就是偏于浪費(fèi)。理論研究表明，共同作用分析將使上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基在內(nèi)力和位移等方面與常規(guī)法相比均有顯著的變化。例如，由于上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)變形有約束作用，基礎(chǔ)差異沉降減小，而基礎(chǔ)的差異沉降又將引起上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力。因此，合理可行的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法依賴于對(duì)共同作用問(wèn)題的全面了解、深刻認(rèn)識(shí)及對(duì)工程現(xiàn)象的正確評(píng)價(jià)。多數(shù)設(shè)計(jì)人員由于缺乏成熟的計(jì)算理論和方法，往往盲目力求安全，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，造成不必要的浪費(fèi)。五、結(jié)語(yǔ)在進(jìn)行箱形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的，應(yīng)該通過(guò)共同作用分析對(duì)建筑物各部分合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)，做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。但在實(shí)際中運(yùn)用共同作用分析方法還存在困難，一是受計(jì)算手段的限制，二是一些計(jì)算參數(shù)較難確定，三是設(shè)計(jì)人員喜歡采用納入規(guī)范、簡(jiǎn)單而安全的理論來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展、高層建筑的大量興起，使得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究廣泛開(kāi)展，日漸豐富，為設(shè)計(jì)人員提供了理論指導(dǎo)并可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，因此采用高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作用分析方法指導(dǎo)實(shí)際工程和解決問(wèn)題是可行的。參考文獻(xiàn)1、華南理工大學(xué)等編.地基及基礎(chǔ).中國(guó)建筑工業(yè)出版社.19982、董建國(guó)，趙錫宏著.高層建筑地基基礎(chǔ)—共同作用理論與實(shí)踐.同濟(jì)大學(xué)出版社.19973、梁?jiǎn)⒅?高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì).華南理工大學(xué)出版社