高层建筑箱形基础与上部结构和地基共同作用浅析

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摘   要：高层建筑与地基基础共同作用的问题已引起了许多学者的研究和关注，本文就共同作用的机理进行了分析，并对设计提出了建设性建议。? 

  关键词：共同作用；  上部结构；  基础底板应力；  地基模型；  相邻建筑；设计建议??             高层建筑的基础形式多为筏板基础和箱形基础，当为箱形基础时，由于上部结构和地基基础的相互作用，从而导致内力计算的误差，有时误差还很大。因此，高层建筑与地基基础的共同作用问题已越来越受到工程界的重视。高层建筑与地基基础共同作用以下简称“共同作用”，即把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。本文对“共同作用”的机理和设计。?    常规设计方法：把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，首先把基础作为上部结构    的固定支座，在荷载作用下，求得上部结构的内力和变形以及基础固定处的反力。此时认为    基础没有任何变形。然后把该反力作用于基础上去计算基础的内力，再把基础的反力作用于地基上来校核地基的强度和变形。这种常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移，忽略了上部结构对基础的约束作用，这样导致的结果：一是基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守；二是没有考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力，在某些部位（如底层梁、柱和边跨梁、柱）低估了上部结构的内力，使这些部位计算结果偏于不安全。?    1、上部结构刚度对基础约束的有限性  ?       上部结构的刚度是指水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。研究表明：随着建筑物层数的增加，水平刚度和抗弯刚度只是在最初几层增加较快，继而迅速减缓，趋于某一稳定值；而竖向刚度则随层数增加以某种规律增加，同样达到某一层时，趋于稳定。所不同的是比前两者多几层。可见上部结构刚度对基础的约束是有限的，不是随层数的增加而无限增加的。?    2、上部结构刚度对基础“共同作用”的影响  ?       结构刚度与施工条件（施工速度与施工方式）有着密切的关系，因此应考虑结构刚度的形    成方式。其主要有：整个结构的刚度和荷载是一次同时形成的称为“一次形成”，本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“通层形成”，本层结构的刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。三种方式所形成的结构刚度所起的作用有所不同。?    2.1上部结构刚度对基础纵向弯曲的影响?       上部结构刚度对基础的约束，必定大大改善基础的纵向弯曲程度，当结构刚度为“一次形成”时的纵向弯曲约为绝对柔性基础时的1/10。但结构刚度“一次形成”过高地估计上部结构对基础的约束作用，而结构刚度“通层形成”的纵向弯曲与实际情况比较相符。?    2．2上部结构刚度对柱荷载的影响?        在分析地基反力时发现，地基反力随层数的增加不断向两端集中。同时，上部结构的柱荷载也不是竖向楼层荷载的简单叠加。随着层数的增加，柱荷载逐步向两端集中，边柱总是加载，其值随层数的增加而变化，（有测试表明：当层数增到15层时，边柱荷载可增加40%，这就是所谓的“次应力”。内柱普遍卸载，以中柱尤甚（有时可达到10%）。但是，柱荷载向两端集中的效应不及地基反力显著。由于结构刚度的有限性，这种集中效应仅表现为最初几层变化剧烈，以后缓慢。?        结构刚度还影响着上部结构中的应力分布。对于框架结构而言，底层梁、柱的最大弯矩，除边柱外，一般由外及里逐步衰减，到顶层中部趋于零；对于剪力墙结构，底层两端的墙板应力，无论是竖向压应力还是剪应力均出现集中现象。在设计中，对“共同作用”结果在底层边柱，边墙产生的次应力必须引起充分的注意。?    3、基础底板钢筋应力计算时，计算单元的变化  ?        在箱基底板设计时，把箱基作为一个单元，这和实际工程情况不符，实测结果表明：底板钢筋应力很小。在实际工程施工时，首先浇筑底板混凝土，然后浇筑箱基，箱基刚完工时，箱基底板仅承受箱基的自重，箱基刚度尚未形成，此刻受力单元仅为底板。随着上部结构的施工，建筑物的高度的增长，首先是整个箱基作为受力单元，以后受力单元的平面尺寸保持不变，高度不断变化，逐渐由“横箱”变成“竖箱”，即受力单元的高度越来越大，使箱基的宽度变成三个方向的最小尺寸。设计中，箱基和上部结构是根据结构在地面上下的位置人为划分的，事实上它们是一个整体。因此，在荷载作用下，这样的“竖箱”要使箱基底板产生很大的钢筋应力是不容易的。所以，在高层建筑箱形基础底板的设计中，用箱基作为一个受力单元来分析，底板的钢筋应力与实际不符。计算单元应该是变化的。    4、地基模型和土性变化时对“共同作用”的影响  ?    当地基采用线性弹性模型时，随着结构刚度的增加，基底反力不断向边、端部集中，基底边缘发生过大反力是不可避免的。按此地基反力算得基础中点弯矩将比实测地基反力大几倍。    当地基采用非线性弹性模型时，地基反力的集中现象就有明显的改善。当地基采用弹性模型时，即使对于绝对刚性基础，边缘地基反力仍比较缓和，与实际情况相接近。?        由此可见，在“共同作用”分析计算中，选择合适的地基模型是重要的。土性的变化对“共同作用”计算结果同样产生影响。通常，当地基土弹性模量较小时，基础对土的相对刚度较大，地基的变形就比较均匀，而地基反力则显得不均匀，相对刚度对地基反力产生了影响。这种分析是弹性地基的分析结果，用于地基承载力较大的硬土是符合实际的。?        对于地基承载力小的软黏土，箱基边缘的地基反力由于超过地基的承载力，引起箱基两    端的地基产生塑性变形，使得地基土应力重分布，产生比较均匀平缓的地基反力。    5、相邻建筑物对“共同作用”的影响  ?        相邻建筑物对主体建筑“共同作用”结果的影响主要有：?    (1)与主体建筑同步建造的相邻建筑物；?    (2)在主体建筑建好后建造的相邻建筑物。?        如果建筑物已造好，这种影响可以忽略不计。?    相邻建筑物是通过对主体建筑产生附加沉降参与“共同作用”的。它是随与主体建筑的    距离远近和不同的布局，而产生不同的影响。当相邻建筑与主体建筑平行布置时，影响“共同作用”的效果主要是改变横向整体倾斜。对整体倾斜的影响非常之大，并显著改变沉降分布，甚至改变倾斜方向。为此，特别是在小区建设中，必须充分注意相邻建筑对主体建筑的影响。 www.lubanwang.cn  www.fujianyongnian.cn    6、设计建议?      6．1地基强度校核?    如建设场地具有较稳定的地下水位，高层建筑箱形基础的地基强度校核应符合下式：（略）    6．2箱形基础的沉降计算?        箱形基础的沉降可以用规范的分层总和法计算；建议采用根据高层建筑箱形基础实测变    形特性，来计算箱基的沉降量。?    6．3荷载重心与底板形心的关系    上部结构传来的荷载重心应尽量与箱基底板形心重合，这是为了防止发生不利于使用的横向整体倾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基底板悬挑或箱基悬挑的方法来解决。底板悬挑长度与底板厚度之比不宜大于4。?    6．4高层框架结构箱基底板钢筋应力的计算?         高层框架结构箱基底板钢筋应力计算除采用规范方法外，建议采用“共同作用”整体计算。为了简化起见，计算单元可采用箱基加上1～3层上部结构来计算底板钢筋应力。这样计算的整体弯曲箱基底板钢筋应力是符合实际的。?    6．5上部结构的次应力问题?    “共同作用”分析表明，上部结构底下两层的边墙、边柱会出现过大的内力，这就是所谓的“次应力”问题。因此建议用“共同作用”方法获得边墙、边柱的内力，以进行配筋设计。否则，用常规设计应适当提高其安全系数。