高層建筑上部結(jié)構(gòu)剛度對箱形基礎(chǔ)的影響李玉勇(淮南市房開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)對箱形基礎(chǔ)的影響，并對該領(lǐng)域目前所存在的問題進行了探討。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，具有較強的地基應(yīng)力補償作用，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)計中普遍使用的方法是先把上部結(jié)構(gòu)隔離出來，并用固定支座來代替基礎(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校核地基強度和變形。這種設(shè)計方法忽略了基礎(chǔ)的變形和位移，人為地把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分開計算。通過工程實測，發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)實際內(nèi)力往往與常規(guī)設(shè)計理論值有很大差距，底層梁柱和邊跨梁柱尤為明顯，甚至出現(xiàn)嚴重開裂。相反，基礎(chǔ)的內(nèi)力則比常規(guī)設(shè)計理論值小得多。有人曾估算，按傳統(tǒng)方法計算，箱基底板的鋼筋應(yīng)力超過了100MPa，實測僅為30MPa左右，傳統(tǒng)的設(shè)計方法既不經(jīng)濟，也不安全，因此在設(shè)計中需要對建筑物進行整體的綜合考慮，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)雜性使得它的造價對整個建筑物經(jīng)濟性的影響明顯，因而經(jīng)濟、安全的箱基結(jié)構(gòu)設(shè)計將會帶來顯著的經(jīng)濟效益。二、上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用機理假定箱基為絕對剛性時，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)點荷載下，梁柱節(jié)點將不產(chǎn)生彎矩。在底層柱底部節(jié)點彎矩和柱的上、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。當箱基不能視為絕對剛性時，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)，即在整個結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各節(jié)點（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)底板下面各點與土的接觸條件。由于考慮基礎(chǔ)非絕對剛性，因此上部框架柱與箱基連接的節(jié)點將產(chǎn)生不均勻位移，而使框架梁、柱產(chǎn)生節(jié)點彎矩。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。這一趨勢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?。榫蓟蚪咏紩r，這時向上的基礎(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)剛度的增加會使基礎(chǔ)承受的總彎矩減小，但是通過對一些工程進行實測發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)貢獻剛度并不是隨著上部結(jié)構(gòu)的增加而無限制的增加，當上部結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加到一定程度時,對基礎(chǔ)的影響將趨于一個定值。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，同樣達到某一層時，亦趨穩(wěn)定。圖1為實測的高層建筑箱基底板的鋼筋應(yīng)力與層數(shù)的關(guān)系。板圖惠1心實測鋼析筋應(yīng)幻力豈σ炸與層勉數(shù)犁n封的關(guān)系曲黑線訪a宇－上海四西平大弓樓遵1尚6蘭號鋼摘筋駝;綿b友－北京中亡醫(yī)厭院莖2核號鋼午筋純;欺c芝－北桐京悼60停4雅號工吼程尊1講號鋼筋。當上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)時，填充墻與框架共同工作將大大增加結(jié)構(gòu)的剛度。同時結(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，結(jié)構(gòu)剛度要考慮剛度的形成方式。它可分為：認為整個結(jié)構(gòu)的剛度和荷載是一次同時形成的稱為“一次形成”，認為本層結(jié)構(gòu)剛度與本層的荷載同時形成的稱為“逐層形成”，認為本層結(jié)構(gòu)剛度對承受本層或后幾層荷載無貢獻的稱為“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)，當上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)時，要同時考慮基礎(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。當上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)時，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)剛度不但對基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，對地基反力的影響也很大?；追戳η€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)共同作用中的一個關(guān)鍵性問題，一旦地基反力確定后，其它問題就容易解決?；A(chǔ)與地基土之間的相對剛度不同會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，地基反力近似于直線分布，如地基土堅硬而基礎(chǔ)剛度較小時，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、目前存在的問題自從1947年G.G.Meyerhof提出基礎(chǔ)與上部共同作用問題，人們進行了大量研究，也取得不少成果，但是還有許多問題有待解決。現(xiàn)在所使用的《高層建筑箱形基礎(chǔ)設(shè)計與施工規(guī)程》（JGJ6-80）第4.0.9條規(guī)定，當上部結(jié)構(gòu)為框架體系，計算整體彎曲所產(chǎn)生的彎矩時，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可按下式計算：別式中塵：魚M澇—御—且整體彎曲饅產(chǎn)生的彎逝矩；熔—昌—惜箱形基礎(chǔ)廢剛度，其界中容E湯為箱形基蹤礎(chǔ)混凝土剃彈性模量剪，繡I鍋為裁按想I踏字形截面法計算的箱廳形基礎(chǔ)慣繩性矩；些—箱—朋上部結(jié)構(gòu)欲的總折算透剛度，斯該公式考犁慮到上部砌結(jié)構(gòu)將承取擔(dān)部分整測體彎矩，犯但不能反遷映上部結(jié)則構(gòu)參與共向同作用后瑞，柱荷載紫的重分布添和底部柱赤子對基礎(chǔ)句的約束作趟用，也未猛能反映上湯部結(jié)構(gòu)剛牌度（貢獻循）的有限獨性和剛度抓滯后情況烈，具有局巨限性，但合是目前尚勝無更加合脫理、簡單猶、實用的燥公式可供寄設(shè)計人員吵使用。須共同作用合分析比較祖復(fù)雜、難羊度大，通雷過理論研翼究和對實稠測結(jié)果的垃分析，已牛得到了一哨些定性的平結(jié)論，可多用于工程胳的實踐。墳現(xiàn)在更重疊要的是能秀給出共同盒作用的定惰量分析，趨共同作用醋課題的研城究是上部下結(jié)構(gòu)、基閉礎(chǔ)、地基喝的結(jié)合，些由于影響孝因素很多捆，互相結(jié)死合成一個致整體進行龍研究，非前常復(fù)雜和匹困難，主師要表現(xiàn)在王建筑物的粉施工和使喝用期間，焦地基變形表的變化規(guī)瞇律，建筑劉物剛度的迅變化，它多們之間的灣相互影響晌，地基的由差異變形俘引起建筑爺物內(nèi)部荷畜載和應(yīng)力胖的重分布庭，在施工燥期間的施般工條件對絡(luò)地基變形獲和建筑物漲剛度的影剛響，高低額建筑物基嶺礎(chǔ)的差異儉沉降，樁捆箱（筏）眾基礎(chǔ)的差且異沉降和俗變形規(guī)律睬，樁與筏紅（箱）分乓擔(dān)上部荷娘載的關(guān)系蛛及其影響賴因素等問宜題。夠目前工程膀界普遍采范用的設(shè)計淺方法仍然廳是把上部糖結(jié)構(gòu)、基晃礎(chǔ)和地基卸隔離開來母分別考慮浙，這種方罪法由于忽旨視共同作挽用，與實是際情況不圍相符合，旦結(jié)果往往飲造成設(shè)計戴不是偏于礎(chǔ)不安全就工是偏于浪荷費。理論站研究表明唇，共同作壽用分析將羊使上部結(jié)輝構(gòu)、基礎(chǔ)五和地基在球內(nèi)力和位嶼移等方面洲與常規(guī)法莖相比均有銹顯著的變蓋化。例如豆，由于上急部結(jié)構(gòu)剛黑度對基礎(chǔ)保變形有約門束作用，亂基礎(chǔ)差異殺沉降減小叔，而基礎(chǔ)真的差異沉財降又將引龜起上部結(jié)水構(gòu)產(chǎn)生次鍛應(yīng)力。因瞎此，合理顏可行的結(jié)兔構(gòu)和基礎(chǔ)孤設(shè)計方法解依賴于對絡(luò)共同作用破問題的全碑面了解、泥深刻認識時及對工程廊現(xiàn)象的正道確評價。視多數(shù)設(shè)計棄人員由于嗎缺乏成熟槽的計算理術(shù)論和方法佳，往往盲蜻目力求安榴全，設(shè)計外過于保守灑，造成不持必要的浪席費。五、結(jié)語摘在進行箱宵形基礎(chǔ)設(shè)暖計時，上董部結(jié)構(gòu)的搭影響是不父容忽視的歸，應(yīng)該通家過共同作話用分析對掉建筑物各僚部分合理素規(guī)劃與設(shè)害計，做到化安全、經(jīng)綁濟、合理視。但在實旋際中運用腸共同作用熱分析方法轉(zhuǎn)還存在困士難，一是乘受計算手描段的限制普，二是一斷些計算參仿數(shù)較難確察定，三是嶄設(shè)計人員系喜歡采用國納入規(guī)范芬、簡單而棍安全的理共論來進行名設(shè)計。糧現(xiàn)在隨著留計算機與笑計算技術(shù)熔的迅速發(fā)語展、高層塘建筑的大繞量興起，餅使得現(xiàn)場控實測和實委驗研究廣摔泛開展，被日漸豐富謎，為設(shè)計炎人員提供崗了理論指鈔導(dǎo)并可降逃低勞動強劈度，因此風(fēng)采用高層駛建筑與地性基基礎(chǔ)共潔同作用分活析方法指賭導(dǎo)實際工酸程和解決屠問題是可鍋行的照。法參考文獻獨1藝、華南理筆工大學(xué)等儲編蝕.博地基及基眨礎(chǔ)斃.票中國建筑鄉(xiāng)工業(yè)出版踢社篇.199底8澡2壞、董建國橫，趙錫宏青著腥.劫高層建筑憂地基基靠礎(chǔ)民—凡共同作用資理論與實然踐負.誓同濟大學(xué)銅出版跟社而.199噸7君3嫂、梁啟旱智槳.蔥高層建筑腥結(jié)構(gòu)分析鋒與設(shè)橫計叢.臨華南理工子大學(xué)出版漿社溜.199忙2溉4忌、高層建儲筑箱形基乓礎(chǔ)設(shè)計與眼施工規(guī)程盼（獵JBJ壤6魂—肢8告0鋤）赴.扎中國建筑港工業(yè)出版磨社陜.198妥0