1、关于上部结构与地基共同作用的探讨摘 要: 上部结构、基础与地基是紧密联系在一起的一个整体。设计中忽略了地基、基础与上部结构的相互作用,人为地把地基、基础和上部结构隔离计算,既不经济,也不安全。本文主要探讨地基、基础与上部结构相互作用情况,提出考虑地基、基础与上部结构共同作用的重要性。 关键词：上部结构 地基基础 共同作用 中图分类号：TU47 文献标识码：A 目前建筑结构设计把上部结构和地基基础作为两个独立系统分别思考。在建筑设计中，上部结构被看成没有刚度的散体，基础为上部结构的固定支座。由于模拟条件的多变性和计算的复杂性、烦琐性等因素,建(构)筑物设计中完全考虑上部结构与地基基础共同作用的还
2、不多, 大部分设计仍选用上部结构、基础和地基分开计算和分析的方式进行。以笔者所从事的火力发电厂工程各建(构)筑物厂房结构设计来说,还没有采用过考虑上部结构与地基基础共同作用的计算分析实例,只是在地基变形计算时考虑基础刚度的影响因素。 1 上部结构与地基基础共同作用的基本概念 为了简化计算,在工程设计中,通常把上部结构、基础和地基三者分离开来,按照三个独立的结构体系分别进行力学计算和分析。它首先是把上部结构看成为固定支座或固定铰支座,不考虑荷载作用下各柱端部的相对位移,用结构力学的方法计算在荷载作用下的柱脚内力和上部结构内力;进行基础设计时,是以求出的柱脚作用力反向作用在基础上,假定地基反力与基
3、底压力呈直线分布,并按此假设条件计算基底反力和用结构力学的方法求解基础内力;进行地基计算时,是将基底反力反向施加于地基,按柔性荷载(不考虑基础刚度的调节作用)来验算地基承载能力和计算地基的变形。 这种传统的分析与设计方法,通常称为常规设计法。这种方法虽然简便, 但明显存在不合理的因素,因为它只满足了静力平衡条件,忽视了地基、基础和上部结构在接触部位的变形协调条件。它的计算结果可能是: 上部结构的底层梁柱和边跨梁柱实际内力要大于计算值,而基础的实际内力则要比计算值小的多;换句话说就是:常规设计的结果常使上部结构偏于不安全, 基础设计偏于保守和不经济。 通常,基底反力并非呈直线(或平面)分布,它与
4、土的类别性质、基础尺寸和刚度以及荷载大小等因素有关。在地基软弱、基础平面尺寸大、上部结构的荷载分布不均等情况下,地基的沉降和反力将受到基础和上部结构的影响,而基础和上部结构的内力和变位也将随之调整。当按常规方法计算,墙柱底端的位移、基础的挠曲和地基的沉降将各不相同,三者变形不协调,且不符合实际。而且,地基不均匀沉降所引起的上部结构附加内力和基础内力变化未能在结构设计中加以考虑,因而也不安全。只有进行地基、基础和上部结构的共同作用分析,才能合理进行设计,做到既降低造价又能防止建筑物遭受损坏。 实际上, 上部结构、基础和地基是相互联系成整体来承担荷载而发生变形的,三部分都将按各自的刚度对变形产生相
5、互制约的作用,从而使整个体系的内力(包括柱脚和基底反力)和变形(包括基础沉降)发生变化。上述简化的设计方法,对于良好均质地基上刚度大的基础和墙柱布置均匀、作用荷载对称且大小相近的上部结构来说是可行的,它与进行上部结构、基础和地基共同作用分析的结果差别不大,能够满足结构设计可靠度的要求,并已经大量工程实践，但当地基软弱、上部结构对不均匀沉降敏感时,这种设计方法的计算结果与实际情况的差别就较大。 2 地基与基础的相互作用 建筑物基础的沉降、内力以及基底反力的分布,除了与地基因素有关外,还受基础及上部结构的制约。为了建立地基与基础间相互作用的基本概念,这里先忽略上部结构的影响,只考虑基础本身刚度的作
6、用,按照均质地基的条件,从柔性基础和刚性基础这两种极端情况论述地基与基础相互作用的状况。柔性基础的抗弯刚度很小,它好比放在地上的柔软薄膜,可以随着地基的变形而任意弯曲。基础上任一点的荷载传递到基底时不可能向旁扩散分布, 就象直接作用在地基上一样。所以,柔性基础的基底反力分布与作用于基础上的荷载分布完全一致。如果假设地基是均质的弹性半空间体,那么就可利用相关计算公式以角点法求得柔性基础底面任意点的沉降。所得的计算结果及以往的工程实践都表明,均布荷载下柔性基础的基底沉降是中部大、边缘小。因此,缺乏刚度或刚度很小的基础,由于无力调整基底的不均匀沉降,就不可能使传至基底的荷载改变其原来的分布情况。如果
7、要使柔性基础的基底沉降趋于均匀,就得采取增大基础边缘荷载和相应减少基础中部荷载的措施,从而使基础荷载和产生的基底反力成非均匀分布的形状。 刚性基础具有非常大的抗弯刚度,受荷载作用后基础不挠曲,因此,原来是平面的基础底面,沉降后仍保持平面,如基础的荷载合力通过形心,则沿基础底面的沉降应处处相同。根据上述柔性基础沉降均匀时基底反力分布不均匀的论述,可以推断出中心荷载作用下刚性基础基底反力的分布也应该是边缘大、中部小;当荷载偏心时,沉降后的基底为一倾斜平面,反力图是不对称形状。因此,具有刚度的基础, 在调整基底沉降使之趋于均匀的同时,也使基底压力发生由中部向边缘转移的过程;通常,我们把刚性基础能跨越
8、基底中部,并将所承担的荷载相对集中地传至基底边缘的现象称为基础的“架越作用” 。对均质弹性半空间地基上的刚性基础,按照弹性半空间理论求出的反力, 其值在基底边缘处均趋于无限大;事实上,由于地基局部剪切破坏,边缘处的接触压力不可能超过一定的数值,因而势必引起反力的重新分布, 基底反力常呈马鞍形分布。实际上,在基础的架越作用及由于土中塑性区的开展而发生反力重分布这两方面的综合影响下,基底压力的分布规律会变得更加复杂。一般来说,粘性土或非粘性土地基,只要基础埋深和基底面积足够大、而荷载不太大时,基底反力图均呈马鞍形,反之则可能变成抛物线形。 3 上部结构刚度对基础的影响 上部结构的刚度是指整个上部结
9、构对基础不均匀沉降或挠曲的抵抗能力,或称整体刚度。按照整体刚度的强弱,通常将建筑结构分为柔性结构、敏感性结构和刚性结构三类。 以屋架柱基础为承重体系的木结构或排架结构是典型的柔性结构,它对基础的不均匀沉降有很大的顺从性,在柱顶竖向荷载作用下发生的柱基沉降差不会引起上部主体结构的附加应力,传给基础的柱荷载也不会因此有所变动。 常见的砖石砌体承重结构和钢筋混凝土框架结构,由于对基础不均匀沉降的反应都很灵敏,称之为敏感性结构。对钢筋混凝土框架结构,由于构件间的刚性连接,它在调整地基不均匀沉降的同时, 也引起了结构中的次应力, 也会出现基础内力向上部结构转移的现象,而这种转移的份额取决于上部结构、基础
10、和地基的相对刚度,增加基础的抗弯刚度,上部结构的次应力就相应减小。 以火力发电厂里的烟囱、水塔、高炉和筒仓这类高耸构筑物下整体配置的独立板式基础与上部结构浑然一体,使整个体系具有很大的刚度,称之为刚性结构;对体形简单、长高比很小、通常采用框架、剪力墙或筒体结构的高层建筑,其下配置相对挠曲很小的箱形基础、桩基或其它深基础者,也可作为刚性结构考虑。当地基不均匀时,基础转动倾斜,但几乎不会发生挠曲。 在考虑上部结构、基础和地基三者共同(相互)作用的过程中,起主导作用的是地基,其次是基础,上部结构只是在压缩性地基上基础整体刚度有限时才起重要作用因素,是受条件约束的。 结束语：在整体性基础计算中如何考虑上部结构的影响一直是设计人员关注的一个难题。在工程设计中,一般是将上部结构的全部重量作为荷载直接作用在基础上,而实际上只有底层结构重量是直接作用在基础上,按着施工顺序各层与结构刚度逐步形成,新的荷载只作用在逐层形成的上部结构上面。 参考文献 1 刘建航,侯学渊.基坑工程手册M.北京:中国建筑工业出社,1997.25227. 2 李洪民.浅谈桩基应用J.山西建筑,2005,31(18):1082109
