高层建筑筏形和箱形基础的设计计算

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设计计算方法概述
箱形和筏形基础的设计计算方法是与建筑工程的需要相适应的，是随着建筑科学研究的深入而进步的。当建筑工程处于层数很少、体量很小、重量很轻的阶段时，对地基基础的要求不高，计算方法也很简单。后来建筑物的层数增加了，重量大了，整体式的筏形和箱形基础就相应出现了，因为单靠条形基础、独立基础是无法满足建筑物的承重要求了。而且人们在修建铁路、码头、船坞的过程中，逐渐认识到了置于地基上的梁和板的受力特性和变形特性，并且将其逐步发展成一套“弹性地基”的理论。高层建筑出现以后，地基基础的问题变得更加复杂，人们对它的研究也更加深化了。例如对地基土的力学特性和变形特性的研究，地震作用的研究。地基基础和上部结构变形协调的研究，基础梁、板的受力分析等等，逐一取得了丰硕的成果。随着电子计算机的出现，计算技术的飞速发展，为上部结构和地基基础共同作用课题的研究创造了条件，并且已经取得了重要的进展。
时至今日，箱形和筏形基础的设计计算方法种类繁多，在拙著《高层建筑箱形与筏形基础的设计计算》一书有详细介绍。此在仅作一些简要的说明。
一、简化计算方法
简化计算方法最基本的特点是将由上部结构、地基和基础三部分构成的一个完整的静力平衡体系（图1-2a）分割成三个部分，进行独立求解[7]，首先假定上部结构的柱是嵌固在基础上的(1-2b)，按结构力学的方法可以求出结构的内力，包括底层柱的轴力、柱脚处的弯矩和剪力。然后将这些力反向作用在基础梁或基础板上，基础梁或板同时承受地基反力（图1-2c），地基反力与上部结构荷载（包括基础自重及其悬挑部分以上的土重）保持静力平衡，并假定其按直线分布。再按结构力学的方法求解基础梁或板的内力。在验算地基承载力时，假定基底压力按直线分布，即认为基础是绝对刚性的。在计算地基变形时，又把基础看作是柔性的，基底压力是均布的（图1-2d）。显然，简化计算方法的种种假定与整个结构体系的工作状态是不符的，它仅仅满足了总荷载与总反力的静力平衡条件，而忽视了上部结构与基础之间以及基础与地基之间的变形连续条件。因而上部结构传递给基础的荷载及地基反力的分布状态都是与实际状态有偏差的。由此也必然造成基础内力计算的偏差和地基计算的偏差。尽管简化计算方法存在这些人所共知的缺点，但许多设计人员仍然乐于使用它。原因就在于它简单方便，而且力学概念大致清楚。在实际应用中，设计人员还会根据工程实践经验采取一些措施，例如调整或增大某些部位的地基反力，增加一些构造钢筋等等。以保证基础的安全和正常使用。
 
     图1-2  结构系统简化计算方法示意
 (a)结构系统简图；(b)上部结构；
 (c)基础计算简图；(d)地基变形计算荷载图。

    1．筏形基础
首先将筏形基础视为一倒置的平面楼盖，地基反力按直线分布，作为荷载作用在平面楼盖上。对于平板式筏基即可按多跨连续双向板计算其内力。对于梁板式筏基，可将地基反力按45°线划分范围（图1-3），阴影部分作为传递到横向肋梁上的荷载，其余部分作为传递到纵向肋梁上的荷载。然后按多跨连续梁分别计算纵向和横向肋梁的内力。这就是所谓的“倒梁法”。但是按倒梁法求出的支座反力与原柱荷载不同，二者存在一个差值。为修正这一差值，原上海市民用建筑设计院提出了“调整倒梁法”。调整的方法是将支座反力与柱荷载的差值均匀分配在该支座两侧各1/3跨度内，作为地基反力的调整值，与原地基反力叠合成阶梯状的反力，再按此反力重新计算肋梁的内力。经过几次调整，支座反力即可与原柱荷载趋于一致。