浅谈高层建筑中结构和地基基础作用关系

2013-08-15张国辉

中国建筑金属结构 2013年10期

关键词：层数弹性基础

张国辉

（安徽省建筑设计研究院有限责任公司，安徽合肥 230001）

1 基础和上部结构共同作用分析

高层建筑基础与上部结构间共同作用，也就是计算分析时将高层建筑基础、上部结构看作一个统一整体结构。

1.1 上部结构和基础分析

在连接部位上部结构和基础的变形应协调，用共同作用得到整个系统变形以及内力方法，这就被称为两者共同作用分析方法。在传统高层建筑设计中，基本只考虑基础间相互关系，忽略建筑上部结构与基础间共同作用，因此，并不能完全真实得到高层建筑基础以及上部结构间结构受力情况。一般常用的设计方法分为两种：一是把上部结构刚度当作无穷大，这不考虑高层建筑上部结构以及基础间共同作用关系，在计算方法不完善时代，这也是当时唯一的计算方法；二是将基础刚度考虑为无穷大，计算出高层建筑上部结构作用、在基础顶面上端反力，然后把这种反力加在基础上，考虑到基础间共同作用，不考虑上部结构影响，这种方法并不完整，但是由于高层建筑上部结构是非常复杂的，其计算手段受到很大限制，直到当今，这种方法仍然在被广泛使用。

1.2 基础约束有限性影响

上部结构刚度是抗弯刚度、水平刚度以及竖向刚度综合表现。随着建筑的层数不断增加，抗弯刚度以及水平刚度在最初几层增加较快，继而迅速减缓并趋于稳定值；竖向刚度则不然，随建筑层数增加以某种规律变化，同样达到某一层时趋近一个稳定值。可知，上部结构刚度对基础约束是一有限值，不是随建筑层数增加无限增加的。

1.3 基础共同作用影响

施工速度、施工方式和结构刚度关系非常密切，应考虑结构刚度形成方式。本层结构刚度对承受本层或后几层荷载无贡献称为滞后形成；整个结构荷载以及刚度是同时形成，也就是一次形成；本层结构刚度和本层荷载同时形成就是通层形成。它们对形成结构刚度所起作用有所不同。

1.4 基础纵向弯曲影响

上部结构刚度对基础制约作用，可以大大改善基础纵向弯曲程度，当结构刚度是一次形成时纵向弯曲大约是绝对柔性基础的1/10。但结构刚度一次形成过高的估计上部结构对基础制约，结构刚度通层形成纵向弯曲和实际情况比较一致。

1.5 柱荷载影响

在研究反力时，反力随层数增加持续向两端集中。同时，上部结构柱荷载也不是竖向楼层荷载机械叠加。伴随着层数增加，柱荷载逐渐向两端集中，边柱一直是加载，其值随层数增加发生变化。反力比柱荷载向两端集中效应显著。因为结构刚度有限性，这种集中效应仅仅体现为最初几层变化强烈，以后比较缓慢。上部结构中应力分布，还受结构刚度影响。在设计中必须对“共同作用”结果在底层边柱、边墙产生的次应力引起充分重视。

2 模型与土性变化影响

通过“共同作用”分析计算，选择合适模型是关键。“共同作用”计算结果同样受土性变化影响。当土弹性模量不大时，基础对土相对刚度比较大，变形就会比较均匀，反力则显得不理想，反力受相对刚度影响。这种分析是弹性分析结果，用于承载力相当大的硬土是和实际相符。承载力小的软黏土，箱基边缘反力会超过承载力，引起箱基两端产生塑性形变，使得土应力再次分布，产生相对均匀平缓反力。当采用线性弹性模型时，随着结构刚度不断增强，基底反力不断向端部、边集中，将不可避免使基底边缘发生过大反力。就会导致按此反力算得基础中点弯矩将比实测反力大数倍。当采用弹性模型时，即使对于绝对刚性基础，边缘反力也会比较缓和，和实际情况相符。当采用非线性弹性模型时，就会使反力集中现象明显改善。

3 共同作用整体分析

常规方法和初等方法不足之处是显而易见的。考虑实际工程，上部结构刚度是渐渐形成的，粗略地把上部结构刚度看作无穷大是不合理的。此外，上部结构总有固定刚度，特别是对高层建筑来说，抛弃其刚度贡献所得到结果，和整个体系实际上发生共同作用过程差别很大，因此，应将上部结构以及基础看作一个完整体系来进行共同作用分析，这就是完全共同作用分析又称整体分析方法，简称共同作用方法。

3.1 边界元法

边界元法是近些年来迅速发展一种新数值分析方法。它和有限元相比，不是用在物体内部进行单元划分，只是在物体边界上进行有限元离散。这就极大地降低了节点数目，使运算速度得到增加，并且该种方法非常适用于无限体和半无限体问题。由于边界元法对于非匀质体和非弹性问题分析较为困难。因此，在共同作用问题研究中，边界元应用在文克尔模型、双参数模型以及弹性半空间模型上。