土体与框架结构的共同作用对结构的影响研究

刘 青 丽

(大同市永泰广场，山西 大同　037000)



土体与框架结构的共同作用对结构的影响研究

刘 青 丽

(大同市永泰广场，山西 大同037000)

综述了目前框架结构的整体分析计算方法，介绍了实现以等效柱考虑土体约束作用的框架结构整体分析计算方法的研究方法和步骤，归纳总结了地基土体对建筑结构的作用效应和特点。

框架结构，土体，基础埋深，计算方法

1　基础与框架结构的整体分析方法

对于框架结构在无地下室且基础埋置深度较深的情况下，如何进行框架结构整体分析计算，根据现有的工程设计实例及有关文献资料[1-10]记载有以下几种：

1)在地面处增设纵横向地梁(框架梁)，不设板。不考虑地梁下结构部分，以地梁处作为底层框架的嵌固点，进行框架整体结构分析计算。

2)在地面处设一刚性地面层(即设板)，以刚性地面层作为底层框架的嵌固点，进行框架结构整体分析计算，不考虑地梁下结构部分。

3)地梁设置情况同1)，将地梁下柱的抗侧移刚度与地面上底层柱抗侧移刚度进行比较，以两者之间的刚度比值是否超过一定值来判断框架底层嵌固点是否位于地梁处，还是基础面处，进而进行框架结构整体计算。刚度比限值，各地取值不一，有的认为刚度比大于2即底层嵌固点位于地梁处，有的认为应取大于5或8。

4)地梁设置情况同1)，框架结构整体计算时，将地梁下土中结构部分，作为一个结构层(即增设一层)，加入框架结构整体计算，不考虑土体约束作用。

5)不设地梁，框架结构底层计算高度，直接取自基础面至2层楼面，不考虑地面以下土体约束作用。

6)不设地梁，引用文克勒(winkler)地基理论中基床系数，以考虑土体约束作用。取框架结构底层一根柱(包括土中部分柱)，以顶端为滑动支座，下端基础面为固定支座作为计算简图，根据位移法，计算抗侧移刚度，并利用抗侧移刚度相等条件，导出底层柱的等效高度，进而进行框架结构受力分析计算。

7)参照中国建筑科学研究院开发的《多层及高层建筑结构空间有限元之分析与设计软件》(Satwe软件)中，考虑回填土对地下室约束的相对刚度系数的作法，以土中柱、墙表面积与假定有相同地质条件下地下室外墙(完全刚性)表面积之比值，乘以该软件所提供的相对刚度系数，得出一折算相对刚度系数，作为考虑周围土体对结构的约束作用，输入该软件进行整体结构分析计算。

8)采用有限元等数值方法对上部结构—基础—地基共同作用进行分析计算。

2　地基土对建筑结构的作用效应

土体与结构之间的相互作用是一个比较复杂的问题，它既与基础的埋深有关[1]，也与场地土的性质和结构自身的性质有关[2，3]。近年来，国内外有关专家，学者对此问题做了不少研究，概括起来土体与结构共同作用及基础埋深对上部结构的影响，可分为以下几大类：1)对结构的变形影响；2)对结构的内力影响；3)对结构的稳定性影响；4)对结构的基本周期、自振频率等的影响；5)对地基承载力的影响。以下分别讨论。

2.1对结构的变形影响

文献[4][5]对框架结构与地基基础共同作用做过研究。文献[4][5]基础类型分别为桩筏和桩基，主要考虑桩与地基土共同作用。文献[4][5]通过有限元分析，得出的结论是：考虑土体与结构共同作用会使框架结构的水平位移增大，且建筑物越高，其顶点位移增加值越大。原因是：由于框架结构体系的侧向刚度较小，在水平荷载作用下整个结构产生典型的剪切变行，且桩基础也会产生一定的水平位移与转角，改变了底层柱受力状态，其顶点水平位移是底层柱柱脚发生转动及各层框架发生剪切变形，而累加形成的。因而，与常规方法中将底层柱角视为完全固接的情况相比，柱底的转动改变了底层柱的受力状态，使柱顶的弯矩普遍增大，层间位移也随之增大，柱底弯矩的变化又影响上部结构的变位，依次类推，故导致了结构顶点水平位移的增大。这从一个侧面说明了，在本选题的情况下，如果将框架底层的嵌固点设在地梁处，将地梁处看成刚性点，而忽略地梁下土中结构部分，是不合适的。

基础的埋置深度对上部结构的动力反应也有影响，文献[6]针对不同的高层建筑基础的埋深，通过分别输入地震波，进行动力反应计算分析，分析结果表明：高层建筑基础的水平位移随着基础埋深的增加而减少，建筑物顶部的位移随着基础埋深的增加而减少，而建筑基础的转角随着基础埋深的增加而增大。也有文献[7][8]认为：在规范要求的基础范围内，增加埋深可在一定程度上减少建筑结构顶部的位移，但是所减少的位移幅度不大，即增减基础的埋深对考虑地基—结构动力相互作用的高层结构动力反应的影响并不明显。有研究表明：在上部荷载相同的情况下，建筑物的竖向沉降变形随着基础埋深的增加而明显减少，最终趋向于一个极限，同时上部荷载的大小将关系到基础埋深对沉降变形影响程度的大小[9]。

2.2对结构构件内力的影响

考虑上部结构与地基基础的共同作用，将使底层柱的内力发生重新分布，边柱的柱底弯矩值下降，中柱的柱底弯矩上升，柱顶的弯矩值普遍增大，梁的内力产生增大变化，且这种现象一般在结构的底层较为显著，沿结构的高度这种现象会逐渐消失，文献[4][5]对上述现象做过研究。文献[3]对上述问题也做过研究，得出的结论为：在实际工程设计中，考虑共同作用时，底层柱特别是角柱，边柱轴力变化较大。但认为按常规方法设计时，边柱偏于不安全，中柱过于浪费。

有研究[10]采用弹性地基梁链杆法并考虑基础埋深影响的方法，对基础梁的内力进行分析计算，结果表明：不考虑基础埋深影响的基础梁内力大于考虑基础埋深影响的基础梁内力。

当考虑上部结构刚度较大时，其对基础变形约束大，基础犹如倒置的连续梁，在基础梁内不产生整体弯曲，故基底分布反力为外荷载产生局部弯曲，当考虑上部结构刚度较小时，上部结构对基础的变形约束小，于是在基础梁上产生局部弯曲的同时，还产生很大的整体弯曲。

文献[11]进行了弹性地基上的片筏基础与土的相互作用分析，在计算地基变形时，考虑了基础埋深的影响，并讨论了考虑与不考虑基础埋深两种情况下地基反力和基础内力、沉降的变化，得出如下结果：

1)当基础埋深大于1.5m时，必须考虑基础埋深影响。2)对于浅埋(埋深小于1.5m)的片筏基础，若不考虑基础埋深，对地基反力、基础内力和地基沉降影响不大。

随着基础埋置深度的增加，阻尼增大后，结构底部剪力会相应减小，而且土质越软，埋置深度越深，底部剪力减少越多。

2.3对上部结构稳定性的影响

基础的埋深对建筑物的抗滑，抗倾覆有着很大的作用。高规对高层建筑的基础埋深做了详细的规定，主要原因是：地震作用下结构的动力效应与基础埋置深度关系较大，尤其场地土为软弱土层时表现更为明显，为确保建筑物的安全，增强抗滑移和抗倾覆的能力，故高层建筑的基础应有一定的埋置深度。当抗震设防烈度下场地差时，更宜采用较大的基础埋置深度。文献[12]针对两幢不同的高层建筑物，分别进行了地震作用下的抗滑稳定性分析，以研究高层建筑物的稳定性与基础的埋置深度的关系，研究结果表明：建筑物基础的埋置深度对建筑物的抗滑稳定性有着显著的影响。但也有文献[12][13]研究表明，在地震烈度8度以下，层数不是很多的建筑物，在符合高规规定的高宽比下，即使基础埋置很浅，也不容易产生倾覆，滑移或地基失稳，可以满足抗滑稳定的要求。

2.4对上部结构的基本周期、自振频率、加速度等参数的影响

文献[10]研究表明：地基土和上部结构共同工作体系的基本周期与基础埋深多少的关系不大。文献[14]研究也表明，在场地条件相同情况下，共同工作体系的自振频率与基础埋深的关系不明显，但文献[15]研究却表明：共同工作体系的自振频率及上部结构的加速度和位移峰值，随着建筑结构基础埋深的增大而相应增大。

2.5对地基承载力的影响

许多研究资料表明，地基承载力随基础埋深增加而增大，并且近似呈线性增长。主要原因是：随着埋深的增加，土体自重的增加，使地基极限荷载和临塑荷载均有较大提高，但塑性区的开展范围将减少，故地基承载力得以提高。

3　结语

对目前框架结构的整体分析计算方法进行总结和评述，并提出了实现以等效柱考虑土体约束作用的框架结构整体分析计算方法的研究方法和步骤，归纳总结了地基土体对建筑结构的作用效应和特点，为工程设计分析提供参考。

[1]李亮,杜修力,李立云.基础埋深对建筑结构影响的研究现状综述[J].工业建筑,2006,36(sup):626-648.

[2]洪小健,顾明.风和地震作用下高层建筑土—结构作用比较[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(4)：440-445.

[3]张继承,刘飞.上部结构与土体共同作用的影响[J].武汉大学学报,2010,32(3):62-68.

[4]田晓艳.水平荷载作用下上部结构—基础—地基的三维有限元分析[J].南昌大学学报(工科版),2009,31(3):268-270.

[5]陈晓平,贾成,刘祖德.水平荷载下高层框架结构与地基基础相互作用的性状分析[J].工业建筑,1998,28(8):37-42.

[6]冯辛能.高层建筑基础的埋置深度对上部结构动力反应的影响[J].福建建筑,1997(sup)：107-110.

[7]蒯行成,沈蒲生,陈军.埋置基础近似动力模型及其应用[J].振动工程学报,1997,10(4):506-509.

[8]蒯行成,沈蒲生,陈军.地基—筒体结构的地震反应分析[J].湖南大学学报,1997,24(4):79-85.

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[13]韩小雷,季静,李立荣.地震作用下高层建筑箱(筏)基础埋深的探讨[J].华南理工大学学报(自然科学版),2000, 28(9):93-98.

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Theeffectofstructureduetothecollectiveeffectbetweenfoundationandframe

LiuQingli

(Yongtai Square from Datong， Datong 037000, China)

Carriesonthesummaryandthenarrationtothestatedabovetype’sportalframeconstruction’soverallanalysisandcomputationalmethod.Andalsopointingouttheresearchtechniqueandthestepintheoverallframeconstructionanalysisandcomputationmethodswhicharerealizingtheequivalentcolumnconsiderationsoilbodyrestraintfunction，itsummarizesandconcludestheeffectandcharacteristicofgroundsoilbodytotheconstructionstructure.

framework,soilbody,foundationdepth,calculationmethod

1009-6825(2016)23-0055-02

2016-06-05

刘青丽(1969- )，女，工程师

TU323.5

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