基础对上部结构影响论文

地基约束对上部结构的影响

摘要：对结构工程人员来讲，众所周知，现实工程中，基础造价往往占土建工程总造价比例比较高，不同结构，比例不同。砖混混凝土基础占20-40%，框架低层、多层占20-30%，框剪高层甚至占到30-50%。而建筑结构常规设计是将上部结构、基础与地基三者分离出来作为独立的结构体系进行力学分析。这种方法忽视了地基、基础和上部结构在接触部位的变形协调条件，其后果是梁柱的实际内力大于计算值，而基础的实际内力则比计算值小很多。所以基础设计在整个工程设计中需引起广大设计人员的重视，选择正确的结构体系对基础进行力学分析不仅对上部结构产生重要影响，还对整个工程安全和工程进度产生重要影响，而且能够带来很好的经济效益，节约社会资源。

关键词：地基，基础，设计，造价，施工

建筑结构常规设计是将上部结构、基础与地基三者分

离出来作为独立的结构体系进行力学分析。分析上部结构时用固定支座来代替基础，并假定支座没有任何变形，以求得结构的内力和变形以及支座反力；然后将支座反力作用于基础上，用材料力学的方法求得线形分布的地基反力，进而求

得基础的内力和变形；再把地基反力作用于地基或桩基上来验算承载力和沉降。这种方法忽视了地基、基础和上部结构在接触部位的变形协调条件，其后果是底层和边跨梁柱的实际内力大于计算值，而基础的实际内力则比计算值小很多。按照以上简化计算的处理方法，对建筑物荷载与刚度不大，基础尺寸较小，沉降也小；或地基坚硬变形很小的情况比较接近实际。而对于建筑规模大、上部结构复杂，采用筏基、箱基，不考虑地基变形对上部结构和基础的影响，可能导致某些部位计算内力与实际偏小，造成不安全；而不考虑上部结构对基础的约束，会过高估计基础的纵向弯曲，使弯距计算偏大配筋过多偏于保守。因此，合理的设计方法应将三者作为一个整体，考虑接触部位的变形协调来计算其内力和变形，这种方法称为上部结构和地基基础的共同作用分析。地基基础与上部结构共同作用：就是把三者作为一个整体考虑，并要满足三者连接部位的变形协调条件，达到静力平衡。分析地基基础时，要考虑上部结构刚度的贡献；分析上部结构时要考虑地基基础对上部结构的影响.

基础与地基土之间的相对刚度不同会影响接触面的反力与变形。基础刚度较大而地基土较软弱时，地基反力近似于线形分布；如地基土坚硬而基础刚度较小时，荷载与地基反力两者的分布有着明显的一致性，而基础内力很小；随着地基抵抗变形能力的增强，考虑地基基础和上部结构共同作用

的意义将相应降低，对于高压缩性地基土上的框架结构和剪力墙结构，常规设计的结果常使上部结构偏于不安全，而基础设计则偏于不经济。

案例说明1：案例是进口龙门铣进行设备基础的设计，设计条件是基础是中等风化岩石，这其实是很常规的一个设备基础设计，但拿到设计条件后，并没有直接进行下手设计，而是进行了工艺外文资料的简单翻译和与工艺人员进行了

交流，得知由于是进口铣床设备，其中的最难点是控制抗弯精度，但这台铣床设备又长达26米，而国外的工艺图上并没有告知设备底部基础的厚度，往往设计中我们会应用有限元理论来分析，这使得简单的问题分析变的特别繁琐，这次设计中，采用上述理论必须得使基础厚度达到很大的厚度来获得相应的刚度从而来满足工艺进出的精度要求，这必将使得设计出来的工程量很大，很不经济。在经过各专业负责人的商量及查阅资料后得知，不能简单的将上部结构、基础与地基三者分离出来作为独立的结构体系进行力学分析，这样就忽略了一个很重要的问题，那就是变形协调。无论是软土地基还是岩石地基，简单的将基础与地基两者分离出来作为独立的结构体系进行力学分析，不仅会造成模型和实际工程不相符，而且会使设计人员在设计过程中不能更好的建模分析，由力学知识分析，基础与地基之间的相互作用不仅仅要满足受力平衡条件，更容易忽视的是变形协调条件，只考虑

了受力平衡条件，从而为了使得变形满足工艺提出的高精度要求而必须增加惯性距，可能会使得设备基础设计的特别厚才能满足要求，但是当我们注意到第二个条件即需要满足变形协调条件时，而从地质条件和地质人员探讨中得知岩石作为无限刚体，在常规荷载作用下其变形可以忽略不计，那么这样，在基础与岩石的接触面，由于下部的岩石地基变形可以简化为零，而与岩石地基紧贴的基础的变形也是为零，而仅有的变形即为基础混凝土的压缩变形。这就说明其实基础的设计厚度不仅不能提高基础的变形能力，反而由公式L>得知厚度越大，最终的压缩变形也越大。由上述

E

案例中，假如将基础与地基两者简单的分离出来作为独立的结构体系进行力学分析。分析基础时用有限元进行分析，虽然也可以进行正确的解答实际工程问题，但用有限元分析需要知道繁琐的理论数据，而实际工程中如果运用良好的分析模型和理论，再结合实际工程经验就可以很简单的得到正确的答案。可见理论知识的正确认知在实际工程中至关重要，正确的选择结构分析理论和分析模型，不仅能使得最后得出的设计结果满足设计要求和工艺要求，而且能够节约资源，带来很好的经济效益。

案例说明2：三层框架，基础为独立基础，埋深2m，一层的墙荷载传给-0.05 m处的地梁，地梁在pkpm的建模中用不用建到pkpm里，要是建到pkpm中，那么就要建四个标

准层，要是不建里面就是三个标准层。建模时候发现，建立四个标准层和建立三个标准层，柱子的受力是相当的不同，总体来说把地梁建在pkpm中柱子的荷载比较大，不建在pkpm中柱子的受力比较小。这种类型的设计问题在我们的

实际设计中是最常见也是最有异议的问题，而设计中不同的设计思路往往有以下两种：1；考虑土体对基础梁以下的柱

子及基础梁都有约束，将地梁建入pkpm中，加上让地梁截

面做大，让约束能力更强，这样等于将地梁作为上柱的不动支点，地梁标高处成为柱子的完全嵌固端。2；模型不建进去，柱子的高度到基础顶，这样做没有考虑到地梁和土体，尤其是地梁对柱子的约束作用，这样做柱子受力是最好的，考虑柱子长度到基础，又没有短柱，不考虑地梁的约束，还偏于安全，不过问题是地梁要自己计算，二是柱子的长度那么长，柱子底部弯矩会很大，基础计算的时候，基底的面积会很大。

而我的看是，上述两种做法，对于埋深较浅的基础，地

梁层有回填土的有利作用，只是土的有利作用相对较小，所以在设计中偏于安全的考虑是忽略土体的约束，建模不建地梁层，地梁层以下形成的短柱全高加密，而嵌固端取自基础顶面。而对于深基础，土对地梁层及以下柱的约束作用较大，地梁层也建入PKPM，可采用加大基础梁以下柱截面（下柱

长宽取上柱长宽两倍）使得底层柱嵌固端上升至基础梁顶面，

这种做法不仅更贴合实际情况，而且使得底层柱计算高度减小，从而减少柱配筋和后续基础截面设计。使得设计出来的结果更经济也更贴切实际受力情况。

由上述两个案例可知，一是要考虑地基基础与上部结构共同作用，就是把三者作为一个整体考虑，并要满足三者连接部位的变形协调条件，达到静力平衡。二是分析上部结构时要充分考虑到实际地基对基础的约束情况，采用最合理的设计模型。两个案例仅是现实设计中遇到的较为简单的设计实例，对于建筑规模大、上部结构复杂，采用筏基、箱基，不考虑地基变形对上部结构和基础的影响，根据《抗规》5.2.7条可知，会导致上部结构的底层相应范围内的梁柱墙的内力变大计算值比实际值偏大，造成浪费，而与上部结构相交部位的基础计算内力与实际偏小，造成不安全。所以设计中应充分结合实际情况和最正确的理论分析模型，考虑实际地基对基础和上部结构的影响，根据规范的要求对相关部分的内力计算值进行放大和折减，才能避免造成安全问题和经济上的浪费。