复杂情况下建筑底盘框筏基础反力及变形特征研究

（山东外事职业大学，山东威海市，264504）张鑫强 张玉程 梁川红

框筏基础结构的高层建筑设计方法一般是均匀布桩形成的框筏基础，这样的桩筏基础受均面荷载作用时，由于土与桩的相互作用，导致地基或群桩的竖向支承刚度发生内弱外强的变化，从而沉降变形出现内大外小的蝶形分布，基础反力出现内小外大的马鞍形分布。由于约束状态下的非均匀变形，受作用体也将产生附加应力，基础的蝶形沉降将引起基础及上部结构产生附加应力，从而导致基础的整体弯矩增大。具有多元化功能的建筑结构，需要在设计中集成在一个相同的底盘结构上，并采用多样化的形式进行连接。这一类建筑结构由于底盘能够为其提供更大的地下空间，因此能够为建筑创造更加宽松的空间，并在此基础上，降低建筑的空间占地面积。具备空间底盘的建筑通常包含二层至四层的地下空间结构，其埋设均超过10m，为了能够提高建筑底部抗压能力，需要增加框筏基础结构，以此代替传统大刚度箱基[1]。但由于这一结构在实际应用中仍然处于起步阶段，对于该结构的应用是否能够实现对不均匀沉降的调节，是否具备能够承受弯曲变形的能力，都有待进一步验证研究[2]。基于此，本文从基础反力和变形特征两个方面，针对复杂情况下建筑底盘框筏的应用性能进行研究。

1 资料与方法

1.1 工程概况

将高层建筑、基础和地基三者分割开来的设计方法已经难以适应实际要求，只有利用高层建筑与地基基础共同作用理论进行计算才能得到合理的结果。为实现对建筑底盘框筏应用性能的探究，选择以某地区某一大厦项目作为依托，该建筑总面积约为20万m2，其中包含了地下部分建筑面积5万m2。该建筑包含4栋不同功能属性的建筑组成，地下包含3～4层，各栋建筑均通过底盘连接，构成了一个完整的底盘多建筑单体联体结构[3]。同时，该建筑的基础形式以框筏作为基础，平面形状为矩形，其长度为256.3m，宽度为52.2m，框筏柱的尺寸均未800mm×800mm，采用混凝土强度等级为C35的材料，框筏基础结构埋深约为16m。由于在该建筑上完成本次实验的难度较大，因此在本文实验中针对该建筑内基本结构，进行等比例缩放，并针对其底盘框筏结构进行模拟[4]。由于建筑在实际施工中其整体结构通常与设计图纸中给出的数值存在一定差异，因此在模拟过程中引入分步加载的方式解决这一部分差异问题，从而确保最终得到的实验结果能够充分代表该建筑结构。同时，通过上述处理不仅能够实现对该建筑底盘框筏基础力学性能的分析，同时还能够实现对不同高度建筑相互之间的影响。

1.2 实验内容

在明确上述工程基本概况后，对实验中所需模型进行构建，并将其作为实验模型。考虑变形协调关系，对比常规设计分析方法，采用弹塑性三维有限元模型分析共同作用对上部结构、基础、地基的内力及变形影响。通过ANSYS程序建立弹塑性共同作用模型，研究上部结构-地基-基础共同作用机理，分析上部结构刚度，筏板基础的混凝土强度、厚度、地基土性质等对上部结构、地基、基础受力机理的影响。实验模型框筏板厚度为4000mm，外挑为4000mm，框筏上两个相邻柱结构的距离为1000mm×1000mm，框筏梁尺寸为500mm×650mm。构建的实验模型与原建筑的几何尺寸相似比为1：10.5，由于在对其荷载进行设定时，采用了均布荷载，因此其相似比的常数为1。图1为建筑结构模型立面图。

图1 建筑结构模型立面图

由于实际的建筑结构中建筑与地下室荷载相差较大，因此，在实验过程中只向主楼模型施加荷载，以此能够确保最终的结果趋于安全。在实验过程中，模拟施加的荷载为15kN/m2。在模型的框筏结构上随机选取三个区域作为研究对象，将其编号为I、II和III。

在完成上述对建筑结构模型的构建后，先对底盘框筏所在的基坑进行轻便触探实验，以此确保基坑内土质为均匀分布，并获取不同土层类型中的土样，对其进行土工实验，并将得出的土体力学性能指标进行记录，并绘制成表1。

表1 实验研究建筑底盘框筏所在基坑土体力学特征

在明确上述土体的力学特征参数后，利用加载仪器对上述选择的三个区域施加压力，压力可通过电动油泵进行施加[5]。在对框筏上三个区域的沉降进行测量时，选用电子位移计进行测定，将电子位移计安装在框筏结构中每一根柱子的根部[6]。为实现对其基础反力的测定，引入钢弦式压力盒，并将其同样布置在框筏结构的底部位置上。

1.3 建筑底盘框筏加载方式设计

利用上述选择的电动油泵向底盘框筏结构上的三个区域分别采取不同方式施压。其中I区域均匀设置四台1000KN压力；II区域均匀设置两台2000KN压力；III区域均匀布置四台1000KN压力。各个区域上施加的总压力相同。在实验过程中，按照图2所示的内容完成对三个区域施加压力。

图2 建筑底盘框筏加载方式

按照图2所示的内容，在第一阶段，针对区域I、区域II和区域III同时施加三级压力；在第二阶段，针对区域I、区域II和区域III分布进行施压，先对区域I施加压力到7级，此时区域II和区域III的荷载不发生改变，再对区域II施加压力到7级，此时区域I和区域III的荷载不发生改变，最后将区域III的荷载增加到与区域I和区域II相同的压力[7]。

2 实验结果记录

2.1 底盘框筏基础反力结果记录

根据上述论述，严格按照建筑底盘框筏加载方式进行施压，并在这一过程中，对区域I、区域II和区域III上关键轴线结构的基础反力进行记录，并将记录数据绘制成表2所示。

从表2中记录的数据可以看出，三个分区在不同荷载条件下，在第二个单元的基础反力均为0，说明在这一位置上并没有产生基础反力，因此不会受到荷载等级变化的影响。随后，各个分区上不同荷载条件下，基础反力均呈现出先增加后减少的变化趋势。

2.2 底盘框筏变形特征结果记录

在完成对底盘框筏基础反力变化情况相关数据的记录后，再针对底盘框筏的变形特征结果进行记录，从东西方向对底盘框筏关键轴线的变形情况进行记录，针对三个区域上不同单元的变形量进行测定，并将得出的结果记录入表3。

表3 不同荷载下建筑底盘框筏变形量变化情况记录表（单位：mm）

从表3中记录的数据可以看出，在区域II中，2单元出现了变形量为负的情况，除此之外，其余各个区域中四个单元的变化情况基本呈现出相同的曲线变化。

3 实验结果讨论

3.1 底盘框筏基础反力分析

通过结合表2及实验得出，在不同荷载条件下，建筑底盘框筏的基础反力呈现出均匀的分布，并且在框筏左右两侧位置上，基底的反力衰减均为零。

3.2 底盘框筏变形特征分析

结合表3得出，在东西方向上底盘框筏关键轴线的变形呈现出正向挠曲形式，底牌框筏的变形并不会受到上部结构断面的影响，不会出现不连续的沉降变形情况。在区域II和区域III得出的变形量记录数据可以看出，区域II地基的变形衰减中出现了负值，而区域III的地基沉降变形量逐渐扩散到了允许范围以外，说明这一区域受到了建筑主楼结构的共同作用，形成了一个共同影响区域，形成了有效荷载面积影响范围。

4 结语

综上所述，针对某一建筑的底盘框筏从基础反力和变形特征两方面进行了研究，通过研究得出，框筏基础变形量的变化具有一定连续性特点，因此采用框筏结构进行施工，地基不会出现沉降不均匀的问题。同时，通过对不同条件下底盘框筏基础反力测定得出，反力的分布也为均匀形式，从中心向四周逐渐衰减，并且在共同影响范围内，会出现基础反力叠加的情况。