上部结构刚度改变对桩筏基础的影响初探

谢　军 周洪康

（济南齐鲁建设项目管理有限责任公司，山东 济南 250000）

上部结构刚度改变对桩筏基础的影响初探

谢军 周洪康

（济南齐鲁建设项目管理有限责任公司，山东 济南 250000）

在传统的桩筏基础设计过程中，有的设计人员没有充分考虑到上部结构刚度的变化，导致边桩实际承载力超出了设计的承载力，从而影响整体结构的稳定性。因此，本文结合实际情况，分析上部结构刚度改变对桩筏基础的影响。

上部结构；桩筏基础；影响

随着建筑行业的发展，桩筏基础施工在实际施工过程中得到了广泛的应用。在对高层建筑结构设计分析中，主要采用上部结构与桩筏基础分开研究，不仅要考虑到二者的力平衡关系，还要考虑到位移协调关系。在实际桩筏基础分析过程中，要结合实际情况，采用合理的方法进行相应的变形和强度验算，保证高层建筑与桩筏基础之间的协调。

一、上部结构刚度改变对桩筏基础的影响

在通常情况下，上部结构的刚度矩阵可以采用多种建立方法，具体包括有限差分法、有限单元法、解析方法等。在实际过程中，计算人员可以结合变形协调和地基的刚度矩阵。还可以结合建筑物的性质和特点利用有限差分法、有限单元法建立刚度矩阵。但是根据传统的方法，主要结合力学结构法，建立柔度矩阵，再根据求逆的方法，得到模型的刚度矩阵，从而与上部结构的刚度矩阵进行结合，从而反映出地基的沉降情况。在具体分析过程中，计算人员可以结合实际情况，不断简化分析上部结果。

随着我国建筑行业的迅速发展，桩筏基础方法不断被优化，上部结构刚度改变对桩筏基础影响已经获得不小的成就。随着计算机技术的应用，波前法、结构法以及分块分解法得到了广泛的应用，可以有效消除计算机储存量小于高层建筑结构之间的问题，可以真实地反映高层建筑在施工过程中，随着层数的增加，上部结构与基础荷载之间的变化。

二、建筑上部结构优化设计

在通常情况下，建筑工程主要包括上部结构和地基基础两个部分。尤其在高层建筑工程施工过程中，上部主体结构的安全性主要取决于自身构件的强度和桩筏基础的稳定性。在通常情况下，目前主要采用有限元分析法，这种方法受到建筑行业的普遍认可，成为当前高层建筑领域重要的数据分析工具。

第一，整体优化设计研究。在进行连续建筑上部结构设计过程中，截面优化设计理论得到有效发展。就目前而言，连续性变量上部结构理论研究主要表现在局部优化和形状优化等方面。另外，离散变量建筑上部结构发展速度比较慢，也是当前需要解决的重要问题。

第二，非线性离散性变量结构优化设计。在通常情况下，建筑上部结构优化设计方法具体表现在以下几个方面：首先，数学规划基本法，具体包括布格朗日乘子法、函数法以及可行方向法。其次，最优准则法，就是在建筑上部结构设计过程中，选择最优的设计方法，必须要满足最优的准则，在这些准则下，完成迭代公式，从而得出正确的结论。

三、桩筏基础优化设计

对桩筏基础而言，在实际过程中发挥着重要作用，可以有效地控制建筑物的沉降，提升地基基础的承载能力，避免出现过大沉降。在通常情况下，桩筏基础沉降量主要包括桩体的压缩量、桩端对下卧土层的压缩量以及下卧土层的压缩量。

（一）桩筏基础设计。

1.在进行桩长和桩身断面选择过程中，桩长要尽量选择穿过压缩性的土层；对桩身断面，要控制好桩身的强度，保证单桩容许承载力与地基土对桩身的承载力相匹配。

2.在确定承台埋深尺寸过程中，要保证外荷载全部由承台的极限承载力具有一定的安全储备，最大限度地消除安全隐患，再确定承台的埋深和尺寸，对承台的初步尺寸进行验算，进行适当地调整。

3.在计算不同用桩数量的桩基沉降过程中，要结合开始确定的承台埋深和地面尺寸，结合施工的具体情况，确定不同的用桩数量方案，然后分别计算沉降量，得到沉降与桩数之间的关曲线，从而确定减沉桩基础的桩距，保证建筑的竖向荷载对应相应的桩数。

4.设计人员要结合建筑物容许沉降量确定桩数，根据沉降与桩数的曲线，按照容许的沉降量确定实际用桩量。

（二）变刚度调平设计

在进行高层桩筏基础设计过程中，通常采用均匀等长和等直径分部的桩。但是在实际应用过程中，虽然有的桩数不少，但是在存在单碟沉降。因为地基属于一个三维形状，在各个点相互作用下，对某一点的荷载就会产生位移，导致中间出现明显地沉降，而对角点附近，沉降却很小，从而导致筏板中心与筏边出现沉降差，使得基础内力和上部结构次应力增加，进一步增加板的厚度和配筋。由于桩筏基础的沉降，在通常情况，施工单位会通过增加筏板的厚度或者布桩的数量来解决沉降问题，会导致刚度过剩，存在浪费的情况。

在通常情况下，在无限大地基上的局部区域，沉降量与荷载是正比例关系，与所产生的刚度成反比，对地基局部而言，如果沉降增加，主要因为刚度较小造成的。因此，在施工过程中，施工人员可以适当削减荷载或者增加刚度来避免出现了沉降。对高层建筑而言，桩筏基础的荷载分布主要是由上部结构决定。在实过程中，上部结构受到其他方面的影响，很难进行合理地调整，只能根据桩筏基础进行适当地调整，比如可以调整桩筏基础板的厚度，缩小墙距等方式，调整基础刚度的分部，但是会增加工程造价。因此，为了有效地减少桩筏基础局部沉降，主要采用调平设计方式，控制好筏底部桩的布置和基土。在通常情况，变刚度调平设计主要包括以下几方面，首先，设计人员要结合建筑物的荷载和地址条件，确定桩筏板的厚度；其次，要对建筑物的上部结构和桩筏基础改变进行分析。最后，设计人员要结合当天沉降情况，对沉降等值线进行科学分析，对沉降的大部分，加强局部的处理，从而做好桩的布置，增加桩长，建立新的刚度体系。

结语

在进行这类建筑设计过程中，要采用变刚度调平设计，针对主楼中心区和边缘受力差别，设计人员可以调整桩长、间距以及桩径，不断优化桩筏基础设计，从根本上控制沉降差，有效地降低工程造价，节约资源。另外，由于主楼与裙房刚度不容，受到施工顺序的印象，需要做好相互之间的协调，表面交接处出现变形情况，导致裂缝，影响到施工质量。

[1]李婉，木林隆，连柯楠.考虑基础刚度影响的风机梁板式桩筏基础模型试验研究[J].岩土力学，2014（10）：2875-2880.

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