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高層建筑箱形基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)和地基共同作用淺析
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摘 要:高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作用的問題已引起了許多學(xué)者的研究和關(guān)注,本文就共同作用的機(jī)理進(jìn)行了分析,并對(duì)設(shè)計(jì)提出了建設(shè)性建議。?
關(guān)鍵詞:共同作用; 上部結(jié)構(gòu); 基礎(chǔ)底板應(yīng)力; 地基模型; 相鄰建筑;設(shè)計(jì)建議?? 高層建筑的基礎(chǔ)形式多為筏板基礎(chǔ)和箱形基礎(chǔ),當(dāng)為箱形基礎(chǔ)時(shí),由于上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的相互作用,從而導(dǎo)致內(nèi)力計(jì)算的誤差,有時(shí)誤差還很大。因此,高層建筑與地基基礎(chǔ)的共同作用問題已越來越受到工程界的重視。高層建筑與地基基礎(chǔ)共同作用以下簡稱“共同作用”,即把高層建筑、基礎(chǔ)和地基三者看成一個(gè)整體,并且滿足地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)三者在接觸部位的變形協(xié)調(diào)條件。本文對(duì)“共同作用”的機(jī)理和設(shè)計(jì)。? 常規(guī)設(shè)計(jì)方法:把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)作為兩個(gè)獨(dú)立單元分別考慮,首先把基礎(chǔ)作為上部結(jié)構(gòu) 的固定支座,在荷載作用下,求得上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及基礎(chǔ)固定處的反力。此時(shí)認(rèn)為 基礎(chǔ)沒有任何變形。然后把該反力作用于基礎(chǔ)上去計(jì)算基礎(chǔ)的內(nèi)力,再把基礎(chǔ)的反力作用于地基上來校核地基的強(qiáng)度和變形。這種常規(guī)設(shè)計(jì)方法人為地把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分開計(jì)算,忽略了基礎(chǔ)的變形和位移,忽略了上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的約束作用,這樣導(dǎo)致的結(jié)果:一是基礎(chǔ)彎矩和縱向彎曲過大,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏于保守;二是沒有考慮基礎(chǔ)實(shí)際存在的差異沉降引起的上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力,在某些部位(如底層梁、柱和邊跨梁、柱)低估了上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,使這些部位計(jì)算結(jié)果偏于不安全。? 1、上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)約束的有限性 ? 上部結(jié)構(gòu)的剛度是指水平剛度、豎向剛度和抗彎剛度的綜合。研究表明:隨著建筑物層數(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(dá)到某一層時(shí),趨于穩(wěn)定。所不同的是比前兩者多幾層??梢娚喜拷Y(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)的約束是有限的,不是隨層數(shù)的增加而無限增加的。? 2、上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)“共同作用”的影響 ? 結(jié)構(gòu)剛度與施工條件(施工速度與施工方式)有著密切的關(guān)系,因此應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度的形 成方式。其主要有:整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和荷載是一次同時(shí)形成的稱為“一次形成”,本層結(jié)構(gòu)剛度與本層的荷載同時(shí)形成的稱為“通層形成”,本層結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)承受本層或后幾層荷載無貢獻(xiàn)的稱為“滯后形成”。三種方式所形成的結(jié)構(gòu)剛度所起的作用有所不同。? 2.1上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)縱向彎曲的影響? 上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)的約束,必定大大改善基礎(chǔ)的縱向彎曲程度,當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度為“一次形成”時(shí)的縱向彎曲約為絕對(duì)柔性基礎(chǔ)時(shí)的1/10。但結(jié)構(gòu)剛度“一次形成”過高地估計(jì)上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的約束作用,而結(jié)構(gòu)剛度“通層形成”的縱向彎曲與實(shí)際情況比較相符。? 2.2上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)柱荷載的影響? 在分析地基反力時(shí)發(fā)現(xiàn),地基反力隨層數(shù)的增加不斷向兩端集中。同時(shí),上部結(jié)構(gòu)的柱荷載也不是豎向樓層荷載的簡單疊加。隨著層數(shù)的增加,柱荷載逐步向兩端集中,邊柱總是加載,其值隨層數(shù)的增加而變化,(有測試表明:當(dāng)層數(shù)增到15層時(shí),邊柱荷載可增加40%,這就是所謂的“次應(yīng)力”。內(nèi)柱普遍卸載,以中柱尤甚(有時(shí)可達(dá)到10%)。但是,柱荷載向兩端集中的效應(yīng)不及地基反力顯著。由于結(jié)構(gòu)剛度的有限性,這種集中效應(yīng)僅表現(xiàn)為最初幾層變化劇烈,以后緩慢。? 結(jié)構(gòu)剛度還影響著上部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言,底層梁、柱的最大彎矩,除邊柱外,一般由外及里逐步衰減,到頂層中部趨于零;對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu),底層兩端的墻板應(yīng)力,無論是豎向壓應(yīng)力還是剪應(yīng)力均出現(xiàn)集中現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)中,對(duì)“共同作用”結(jié)果在底層邊柱,邊墻產(chǎn)生的次應(yīng)力必須引起充分的注意。? 3、基礎(chǔ)底板鋼筋應(yīng)力計(jì)算時(shí),計(jì)算單元的變化 ? 在箱基底板設(shè)計(jì)時(shí),把箱基作為一個(gè)單元,這和實(shí)際工程情況不符,實(shí)測結(jié)果表明:底板鋼筋應(yīng)力很小。在實(shí)際工程施工時(shí),首先澆筑底板混凝土,然后澆筑箱基,箱基剛完工時(shí),箱基底板僅承受箱基的自重,箱基剛度尚未形成,此刻受力單元僅為底板。隨著上部結(jié)構(gòu)的施工,建筑物的高度的增長,首先是整個(gè)箱基作為受力單元,以后受力單元的平面尺寸保持不變,高度不斷變化,逐漸由“橫箱”變成“豎箱”,即受力單元的高度越來越大,使箱基的寬度變成三個(gè)方向的最小尺寸。設(shè)計(jì)中,箱基和上部結(jié)構(gòu)是根據(jù)結(jié)構(gòu)在地面上下的位置人為劃分的,事實(shí)上它們是一個(gè)整體。因此,在荷載作用下,這樣的“豎箱”要使箱基底板產(chǎn)生很大的鋼筋應(yīng)力是不容易的。所以,在高層建筑箱形基礎(chǔ)底板的設(shè)計(jì)中,用箱基作為一個(gè)受力單元來分析,底板的鋼筋應(yīng)力與實(shí)際不符。計(jì)算單元應(yīng)該是變化的。 4、地基模型和土性變化時(shí)對(duì)“共同作用”的影響 ? 當(dāng)?shù)鼗捎镁€性彈性模型時(shí),隨著結(jié)構(gòu)剛度的增加,基底反力不斷向邊、端部集中,基底邊緣發(fā)生過大反力是不可避免的。按此地基反力算得基礎(chǔ)中點(diǎn)彎矩將比實(shí)測地基反力大幾倍。 當(dāng)?shù)鼗捎梅蔷€性彈性模型時(shí),地基反力的集中現(xiàn)象就有明顯的改善。當(dāng)?shù)鼗捎脧椥阅P蜁r(shí),即使對(duì)于絕對(duì)剛性基礎(chǔ),邊緣地基反力仍比較緩和,與實(shí)際情況相接近。? 由此可見,在“共同作用”分析計(jì)算中,選擇合適的地基模型是重要的。土性的變化對(duì)“共同作用”計(jì)算結(jié)果同樣產(chǎn)生影響。通常,當(dāng)?shù)鼗翉椥阅A枯^小時(shí),基礎(chǔ)對(duì)土的相對(duì)剛度較大,地基的變形就比較均勻,而地基反力則顯得不均勻,相對(duì)剛度對(duì)地基反力產(chǎn)生了影響。這種分析是彈性地基的分析結(jié)果,用于地基承載力較大的硬土是符合實(shí)際的。? 對(duì)于地基承載力小的軟黏土,箱基邊緣的地基反力由于超過地基的承載力,引起箱基兩 端的地基產(chǎn)生塑性變形,使得地基土應(yīng)力重分布,產(chǎn)生比較均勻平緩的地基反力。 5、相鄰建筑物對(duì)“共同作用”的影響 ? 相鄰建筑物對(duì)主體建筑“共同作用”結(jié)果的影響主要有:? (1)與主體建筑同步建造的相鄰建筑物;? (2)在主體建筑建好后建造的相鄰建筑物。? 如果建筑物已造好,這種影響可以忽略不計(jì)。? 相鄰建筑物是通過對(duì)主體建筑產(chǎn)生附加沉降參與“共同作用”的。它是隨與主體建筑的 距離遠(yuǎn)近和不同的布局,而產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)相鄰建筑與主體建筑平行布置時(shí),影響“共同作用”的效果主要是改變橫向整體傾斜。對(duì)整體傾斜的影響非常之大,并顯著改變沉降分布,甚至改變傾斜方向。為此,特別是在小區(qū)建設(shè)中,必須充分注意相鄰建筑對(duì)主體建筑的影響。 www.lubanwang.cn www.fujianyongnian.cn 6、設(shè)計(jì)建議? 6.1地基強(qiáng)度校核? 如建設(shè)場地具有較穩(wěn)定的地下水位,高層建筑箱形基礎(chǔ)的地基強(qiáng)度校核應(yīng)符合下式:(略) 6.2箱形基礎(chǔ)的沉降計(jì)算? 箱形基礎(chǔ)的沉降可以用規(guī)范的分層總和法計(jì)算;建議采用根據(jù)高層建筑箱形基礎(chǔ)實(shí)測變 形特性,來計(jì)算箱基的沉降量。? 6.3荷載重心與底板形心的關(guān)系 上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載重心應(yīng)盡量與箱基底板形心重合,這是為了防止發(fā)生不利于使用的橫向整體傾斜。若重心和形心相差太大,可采用箱基底板懸挑或箱基懸挑的方法來解決。底板懸挑長度與底板厚度之比不宜大于4。? 6.4高層框架結(jié)構(gòu)箱基底板鋼筋應(yīng)力的計(jì)算? 高層框架結(jié)構(gòu)箱基底板鋼筋應(yīng)力計(jì)算除采用規(guī)范方法外,建議采用“共同作用”整體計(jì)算。為了簡化起見,計(jì)算單元可采用箱基加上1~3層上部結(jié)構(gòu)來計(jì)算底板鋼筋應(yīng)力。這樣計(jì)算的整體彎曲箱基底板鋼筋應(yīng)力是符合實(shí)際的。? 6.5上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力問題? “共同作用”分析表明,上部結(jié)構(gòu)底下兩層的邊墻、邊柱會(huì)出現(xiàn)過大的內(nèi)力,這就是所謂的“次應(yīng)力”問題。因此建議用“共同作用”方法獲得邊墻、邊柱的內(nèi)力,以進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。否則,用常規(guī)設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)提高其安全系數(shù)。- 1材料管理軟件
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