上部结构+基础+地基共同作用

近几十年来,随着科学技术的发展,上部结构一基础一地基共同作用分析的研究己经越来越多。它的实际应用受到了前所未有的关注和重视,学者们普遍认为进行

土与结构的共同作用研究对于正确研究结构体系的受力性能、优化结构设计具有重要意义。结构的共同作用分析,虽受到众多研究者的关注,并且也取得了一些成就,但由于这种共同作用分析需要研究的问题很多,一些理论的研究还处于不成熟阶段。研究上部结构一基础一地基的共同作用是结构理论发展的需要。

1、高层建筑的结构体系及分类

人类的生存和发展离不开衣、食、住、行,住房作为人类的栖身之地,其重要性不言而喻。随着科学技术的发展,我们的住处由低矮平房发展到今天的摩天大厦。不管是低层建筑还是高层建筑,它们都是由三部份组成:上部结构、基础和地基。这三个部分相互作用,相互联系,构成一个有机的整体。三个部分各自的形式多种多样,构成了今天形式各异的建筑结构体系。

1.1上部结构

高层建筑上部结构形式多种多样。按材料可分为:石结构、木结构、砖结构、混凝士结构、钢结构。现有高层建筑主要是钢结构和混凝土结构。混凝土结构常用体系可分为:

（1）框架结构体系。框架结构是由水平横梁和竖柱通过刚性节点连接在一起而形成矩形网格的竖向平面形式或空间网格结构形式,皆为杆系结构。框架结构

的优点是建筑平面布置灵活,可做成需要较大空间的会议室、餐厅、办公室及工

业车间、实验室等,加隔墙后,也可做成小房间。但框架结构的侧向刚度较小,水平位移大,这是它的主要缺点,并因此限制了框架结构的建筑高度一般不宜超过60米。在抗震设防烈度较高的地区,高度更加受到限制。

（2）剪力墙结构体系。剪力墙结构主要是用于承担横向水平力的实体墙结构。剪力墙体系可以是直接竖立在基础上,也可为了适应下部大空间的需要而由框架

支承,形成框支剪力墙。剪力墙截面较大,且整幢建筑物的剪力墙之间互相现浇予以连接,整体性好,有很大的抗拉能力,可建造较高的房屋。由于剪力墙间距受楼板构件跨度的限制,所以剪力墙结构体系适于建造住宅、旅馆这一类隔墙较多的房屋。剪力墙结构的缺点和局限性主要是剪力墙间距太小,平面布置不灵活,上部结构—基础—地基共同作用分析不适应于建造公共建筑,结构自重较大。

（3）框架一剪力墙结构体系。钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系是由框架和剪力墙共同承担横向水平力的抗拉力体系,具有框架和剪力墙这两种体系的一些平

面布置。在这种体系中,剪力墙担负大部分水平荷载,结构总体刚度加大,侧移减小。同时,由于框架和剪力墙协同工作,通过变形协调,使各层层间变形趋于均匀,改善

了纯框架结构或纯剪力墙结构中上部和下部层间变形相差大的缺点。无论从使用上,还是从受力、变形性能上看,框架一剪力墙结构都是一种比较好的体系,这种体系兼顾了框架和剪力墙各自的优点,它适合于宾馆、办公楼、医院病房楼、科研楼、教学楼等。

（4）筒体结构体系。筒体结构的外围框架由密排柱和窗裙梁形成的网格而组成,窗洞尺寸大约是墙体面积的50%,看上去像多孔的墙体一样。筒体结构的刚度是

很大的,外部筒体可以单独抵抗全部水平荷载,类似于一根悬臂梁的作用,或由于

增加了某种内部支撑而得到进一步加强。

（5）巨型结构体系。这种体系的主要特点是布置有若干个“巨大”的竖向支承

结构(组合柱、角筒体、边筒体等),并与梁式或析架式转移楼层结合,形成一种巨型框架或巨型析架的结构体系。

1.2基础

地基基础设计是整个建筑设计的一个重要组成部分,它对建筑物的安全和正常使用有着密切的关系。设计时必须结合工程地质条件、建筑材料及施工技术等因素,并将上部结构与地基基础综合考虑,使基础工程做到安全可靠、经济合理、技术先进和便于施工。基础按埋置深度分为浅基础和深基础。按材料可分为砖基础、毛石基础、钢筋混凝土基础、三合土基础、灰土基础等。按结构形式可分为: （1）独立基础。当上部结构荷载不大,层数不多时,一般采用独立基础。支承的上部结构形式,又可分为柱下单独基础和墙下单独基础。

（2）条形基础。是指基础长度远大于其宽度的一种基础形式。条形基础是承重墙的主要形式,当上部结构荷重较大而土质较差时,可采用混凝土或钢筋混凝土建造。如地基在水平方向上压缩性不均匀,为了增加基础的整体性,减小不均匀沉降,也可做成肋式的条形基础。

（3）柱下十字形条形基础梁。当地基较弱而荷载较大,为了增强基础的整体刚度,减小不均匀沉降,可在柱网下纵横两方向设置钢筋混凝土条形基础梁。

（4）筏板基础。地基较弱而荷载又很大,采用条形基础梁不能满足要求或相邻基槽距离很小时,可用钢筋混凝土做成整块的筏板基础。

（5）箱形基础。箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和纵横交叉的隔墙构成。底板、顶板和隔墙共同工作,具有很大的整体刚度。基础中空部分可作地下室,与实体基础相比可减小基底压力。箱形基础较适用于地基较弱、平面形状简单的高层建筑物的基础。

（6）桩筏(桩箱)基础。当采用筏形基础或箱形基础还不能满足结构的承载能力和不均匀沉降时,可采用桩筏或桩箱基础,即在原筏板或箱基的基础上增加桩。除上述几种基础类型外,还有些基础如壳体基础、圆板、圆环、沉井、沉箱、地下连续墙等基础。

1.3地基

任何建筑物都是支承在地层上的,承受建筑物荷载的那一部分地层称为地基。通常地基由岩石或土组成,土是由固体土颗粒、水和气体组成,土中颗粒的大小、成分及它们之间的比例关系,反映出土的不同性质。在高层建筑设计中,以上三个部分相互作用,相互联系,设计者通常要根据不同的地质条件和结构形式选择上述不同的基础形式,把它们有机的结合在一起。

2、上部结构一基础一地基共同作用的发展状况

高层建筑的共同作用分析是随着高层建筑的大量兴建及计算机计算技术的迅速发展而产生的新的学科分枝。目前,高层建筑的共同作用问题己越来越受到工程界的重视，高层建筑中土与结构共同作用这一概念由梅耶霍夫博士提出。各种荷载作用下两类不同介质的接触问题的研究，为共同作用这一课题的发展提供了理论准备。在这一领域做出过重要成就的研究有:赫特兹于1882年研究法向荷载作用下弹性体的接触问题,计算并用试验验证了在接触面上的应力分布;1885年

布新奈斯克在其出版的著作中第一次给出了均匀各向同性弹性半空间在一个光滑刚体作用下的变形及应力问题,但其所得解的形式不宜用于实际计算;摩顿和克罗斯于1922年研究了赫特兹的解,他们用调和函数计算了被一个光滑球体压凹的各向同性弹性半空间的应力;上部结构一基础一地基共同作用分析，1929年和

1939年罗夫在布新奈斯克解的基础上导得扁平底和圆锥形刚体情况下的部分数

值结果;1939年朗得勃格提出两个半无限弹性体间弹性接触的一般原理,第一次

考虑了界面处摩擦的影响;此后这些理论一直在不断发展,并不断推进土与结构静力共同作用理论研究的进一步完善。1953年梅耶霍夫博士提出估算框架等效刚

度的公式以考虑共同作用,在计算箱型基础、土与结构共同作用时,按箱基抗弯刚度与上部框架结构考虑柱影响的有效刚度比例来分配总弯矩。但该公式忽略了上部结构内力的重分布和框架结构的剪切变形的影响。随后,岑米斯基，格罗斯霍夫,相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。当跨入十九世纪60年代,萨玛提出一个考虑土部结构刚度,计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。随着

有限元和计算机的发展,申凯维茨和张佑启应用有限元研究地基基础的共同作用,普齐米尼斯基提出了子结构的分析方法,哈达丁首次利用子结构的分析方法研究

地基基础与上部结构共同作用。1972年在克里斯汀召开的高层建筑的规划与设

计会议上阐述了高层建筑的上部结构与地基基础共同作用的问题。随后,从事该

领域的研究人员日益增多。1977年,在印度召开了第一次“土与结构物共同作用”的国际性会议。论文集中反映该课题在当时的新水平。在以后的各届国际土力学及基础工程会议上,共同作用课题越来越引起广大学者的关注。所研究的课题,几乎涉及到所有工程问题。例如,普洛斯提出桩与地基土共同作用的弹性理论法,推动了桩土与上部结构、基础共同作用的深入研究,他在第十届国际土力学及基础

工程会上作了土和结构物共同作用的总报告，详尽阐述了土与结构物共同作用的发展和前景。普莱斯等人，在1986年,首次利用共同作用的原理对一n层高层建筑桩筏基础作了设计尝试。

在国内,高层建筑是随着我国社会经济的发展和科学技术的进步而发展起来的。古代时我国高层建筑的出现主要以寺庙塔楼为主,南北朝时期我国就建造了15层高40米的砖砌篙岳寺塔。近代高层建筑是从十九世纪末伴随着殖民主义的入侵而开始兴建的,主要分布在沿海一带城市,高层建筑的普遍兴起则是从二十世纪

70年代后期,随着我国大规模现代化建设而出现的。对于共同作用的问题,60年代初做过一些研究工作,到了70年代,由于我国社会经济的发展和科学技术的进步,

促使高层建筑的上部结构与基础、地基共同作用的研究加速发展从1974年起先后在京沪等地区对十幢高层建筑箱形基础与地基的共同作用,进行了比较全面的

现场测试,在理论上作了比较系统的探索,积累了宝贵的经验和难得的数据,使我

国的箱形基础设计提高到一个新的水平。共同作用分析难度大,通过理论和实践

结果的分析,已得出了一些定性的结论,可用于工程实践。1981年在上海同济大学召开“高层建筑与地基基础共同作用学术交流会”展现了我国当时在该课题的研究水平。例如:上海同济大学张问清课题组首先提出了扩大子结构法计算高层结

构刚度,北京张国霞课题组、建筑设计研究院何颐华课题组、北京工业大学叶于

政课题组相继对高层建筑的上部结构与地基基础的共同作用作了大量的理论和

实践的研究。1982年、1986年、1990年我国第一、二、三届岩土力学解析与数值方法会议和1983年、1987年、1991年我国第四、五、六届土力学及基础工程学术会议上,均设有共同作用专题组进行讨论。特别是在1993年召开了第一届结构与介质相互作用学术会议,使共同作用课题不但在岩土工程中得到发展,而且应用到其他学科中去。1985年董建国、路佳等对共同作用原理在高层建筑地基、

基础中的应用作了首次尝试。随着建筑物越造越高,高层建筑与地基基础(包括箱、筏、桩)的共同作用研究也得到深入开展。赵锡宏等著的《上海高层建筑桩筏与

桩箱基础设计理论》反映了80年代后期该课题的理论和实践成果。1989年杨敏

对上部结构与桩筏基础的共同作用作了深入的理论与试验研究,并在其后的发展中形成数值分析软件。1991年黄绍铭等人应用上部结构与地基基础共同作用理论对桩基基础进行研究,在减少沉降桩及疏桩工程的设计中取得较好的效果。上部结构与地基基础共同作用理论的不断发展,以及在实际工程中取得的成果,使这一理论逐渐进入高层建筑设计的规范规程中,1989年出版的《建筑地基基础设计规范》(GBJ7一89),强调上部结构与地基基础共同作用的理论对设计的影响。其后,在计算及深入研究方面不断进步:1997年张宝良、赵锡宏、姜洪伟提出一种改进的、能够满足筏基自由边界条件的位移模式,用以分析上部结构一基础一地基的共同作用,减少计算工作量;2000年肖宏彬、黄润德研究了地基基础与上部结构共同作用中矩阵方程的优化。现代城市中高达几百米的高层建筑到处可见。随着房屋层数的增加,荷载也增加,对基础的要求也高。我国工作技术人员成功的解决了广大地区各种地质条件下高层建筑基础工程的设计和施工问题,积累了丰富的经验,各种设计规范及施工规程的颁发表明我国在高层建筑的设计与施工方面已初步形成了整套的经验，但长期以来由于计算手段的限制,在分析建筑物的基础结构时，总是先把上部结构视为绝对刚性的,不考虑其上部结构的刚度的贡献。直到近十几年来,随着计算机与计算技术的飞速发展和人们积累了大量的建造高层建筑的经验,才使得上部结构、基础与地基三者共同作用的计算成为可能。现在高层建筑的上部结构与地基基础共同作用的设计理论是一个前沿性的课题,国内外很多的专家和学者都在进行研究,但是真正用在实际设计中的成熟理论还不多。由于共同作用课题的研究,涉及三者本身特性的结合,影响因素很多。三者互相结合成一个整体进行研究,确实相当复杂和困难,主要表现在建筑物的施工和使用期间,地基变形的变化规律,建筑物刚度的变化,它们之间的相互影响。地基的差异,建筑上部结构一基础—地基共同作用分析物内部荷载和应力的重分布,在施工期间的施工条件对地基变形和建筑物刚度的影响,高低建筑物基础的差异沉降,桩筏基础的差异沉降和变形规律,桩与筏(箱)分担上部荷载的关系及其影响因素等

等问题。由上可知:共同作用问题的范围广泛,研究的道路任重而道远。

3、结构共同作用的分析方法

高层建筑的上部结构具有较大的刚度,且和基础与地基同处于一个完整的共同作用体系。以前由于计算手段的限制,在分析高层建筑的基础结构时,不考虑结构的共同作用,用常规的基础设计方法(忽略上部结构作用)来设计基础结构。显然,常规的基础设计方法是和上部结构、基础与地基是一个整体这个事实不特合的。近20多年来,大量建造高层建筑的丰富实践,高层建筑地基基础的现场测试研究,以及计算机与计算技术的迅速发展,才为解决高层建筑与地基基础的共同作用分析这一迫切需要解决的问题提供了可能性。目前,把上部结构、基础和地基三者结合为一体进行整体分析的思想,已日益受到工程技术人员的重视和采纳。各种汁算程序和计算方法相继提出。然而,整体的分析对计算机容量提出很高的要求,为减少计算机的存贮量问题,目前己有一些方法,例如子结构方法、波前法和分块求解法等,对于高层建筑与地基基础共同作用的整体分析,以子结构方法(包括双

重与多重的子结构逐步扩大法)较为有效。它不仅解决了大型结构与计算机存贮量小的矛盾,而且可以反映施工期间结构逐层增加,荷载与结构刚度的实际变化及其对共同作用结果的影响。在藕合各个不同结构单元体系等方面,均有独特的长处。也便于在微型计算机中应用。在共同作用分析中,上部结构和基础通常是由梁、板单元组成,因此可以采用有限单元法、有限条法、有限差分法或解析方法

建立上部结构和基础的刚度矩阵,并利用变形协调条件与地基的刚度矩阵藕合起来。地基首先需确定采用何种地基模型:线弹性地基模型,非线性弹性地基模型还是弹塑性地基模型。然后建立地基的刚度矩阵。当然也可以采用有限单元法、有限差分法或解析法建立地基的刚度矩阵。但是习惯上用所谓的结构力学法来建立各种地基模型的柔度矩阵,然后求逆得到它们的刚度矩阵与上部结构和基础的刚度矩阵藕合起来,从而求得地基的反力和沉降变形。在共同作用分析中,可以考虑基础与上部结构的实际刚度进行共同作用分析,并考虑施工过程的影响,把结构荷载和刚度形成情况分别考虑来进行共同作用分析。

4、结构共同作用分析的机理

随着共同作用理论和实践的深入,人们对高层建筑筏(箱)基础与地基共同作

用的机理的认识也越来越深刻。上部结构、基础与地基这三者之间相互联系,相互影响,它们之间的本质关系可以通过以下三个方面来描述。

（1）上部结构变化对结构的影响

上部结构的变化主要可归结为刚度的变化。上部结构的刚度系水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。一般说来,随着层数的增加,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的增加以

某种规律增加,同样达到某一层时,亦趋稳定,所不同的是比前两者多几层而己。不管是平面框架结构,有填充墙的框架结构,还是剪力墙结构,它们的刚度随层数增

加的关系均系如此,即上部结构刚度对基础的贡献是有限的。当基础,地基和荷载不变时,上部结构刚度增大则基础的挠度、内力相对减小,但上部结构的内力增加。即上部结构对减小基础的内力是以增加自身次应力为代价的。

（2）基础变化对结构的影响

基础的变化可主要归结为刚度的变化。当上部结构和地基刚度不变时,基础的内力随其刚度的增大而增大,相对挠度则减小。而上部结构的次生内力则随基础刚度的增大而减小。

（3）地基变化对结构的影响

地基的变化主要可归结为刚度的变化。当地基变软,刚度减小时,基础的内力和挠曲增加。但当地基的刚度增加到一定程度时,上部结构刚度的增加对基础内力已没什么影响,此时不均匀沉降已很小,不需要上部结构来帮助减小不均匀沉降,因

此上下部协同对软弱地基比对坚硬地基更有意义。

5、共同作用分析的地基模型

地基模型(亦称土的本构关系)是研究土体在受力状态下土体内应力一应变关系,广义地说,它为应力、应变、应变率、应力水平、应力过程、应力路径、时间及温度等等之间的函数关系。合理选择地基模型是共同作用分析中非常重要的问题。它不仅直接影响地基反力(基底反力)的分布和基础的沉降,而且影响基础和上部结构的内力和变形分布。因此,在共同作用分析时,首先必须了解各种地基模型的适用条件,选择的地基模型必须符合和比较接近所分析的场地的地基特性。同时,也应注意施工条件对地基特性的影响。有代表性的地基模型有下列几种:（1）线性弹性地基模型;（2）非线性弹性地基模型,（3）弹塑性地基模型:（4）粘弹性地基模型;（5）粘塑性地基模型;(6)准弹性地基模型;（7）内时地基模型。上述第（1）类到第（3）类地基模型常用于共同作用的静态分析,第(4)类到第(5)类地基模型是考虑了时间对应力应变关系的影响;第（6）类到第（7）类地基常用于

动态分析。

6、研究土与结构共同作用的意义

前已指出,把上部结构、基础与地基分割成三个部分各自独立计算是脱离实际的。为了防止结构的损坏,设计中往往采取保守的作法,从而造成不必要的浪费。按照弹性地基上的梁、板、箱的理论来设计固然是前进了一步,但完全忽略上部结构的刚度贡献,对具有非常大的刚度的高层建筑来说,尤其不合理,其结果必然

夸大了基础的变形与内力,或者为减少基础的变形与内力完全不必要地去增加高度或底板厚度与配筋,造成浪费。上部结构、基础与地基的共同作用研究,目前己受到越来越多学者的重视,普遍认为进行土与结构的共同作用研究对于正确研究结构体系的受力性能、优化结构设计具有良好的作用。研究土与结构的共同作用符合结构理论发展的要求。应用上部结构、基础与地基共同作用的理论进行高层建筑的结构设计,才能比较真实地反映其实际工作状态,也才可能是最为经济合理的。此外,还可以利用共同作用理论提高和改善高层建筑基础设计的水平与质量,取得更大的经济效果。具体说来,可从下面几方面入手:

（1）有效地利用上部结构的刚度,使基础的结构尺寸减小到最小程度。例如,把上部结构与基础作为一个整体来考虑,箱形基础高度可大为减小;当上部结构为剪力墙体系时,有可能将箱基改为筏基。应注意的是,上部结构的刚度是随着施工的进程逐步形成的,因此在利用上部结构刚度改善基础工作条件时,应模拟施工过程进行共同作用分析,以免造成基础结构的损坏。

（2）对建筑层数悬殊、结构形式各异的主楼与裙房,可分别采用不同形式的基础,经慎重而仔细的共同作用分析比较,可使主、裙房的基础与上部结构全都连接成整体,实现建筑功能上的要求。

（3）运用共同作用的理论合理地设计地基(包括软弱地基加固)与基础,达到减少基础内力与沉降、降低基础造价的目的。例如在一定的地质条件下,考虑桩间土的承载作用,可适当加大桩距、减小桩数,合理布桩、减少基础内力,从而在整体上降低基础工程的造价。