上部结构基础和地基共同工作的机理分析

1、上部结构基础和地基共同工作的机理分析逬行常规的设计时"经常将復板基础出作刚性板來进行设计用PKPM建立上部的结构，然石施加荷戟井用计算出來的结釆去配遠上部结构的钢筋.然后陡础的计算是将上部算出的荷載施加到基础板上.根据算得的结果未配置基础板的钢筋。这样的话基础的计算没有考虑在上部结构和基础同时存在的时候对基础板受力件能的变化忽略了上部结构与皋础利地基接触处的变形协调怦，这就给设计人员提出f个思考.在即在上部结构和地基条件定的惜况Ftai何合理的设计帚础*便结构物既安全又经济台理。坐落在地基土上的结梅体系，和支承介质地基土组成的静力平衡体系中.a白的工什性状不仅取决于荷我的人小与分布在

2、一尢盘义上更収决于二存抵抗变形的刚度丿、小及克相互关系"所以冇必要了解齐部分之间的相互作用关系。近年来这些何題对丁研究羚來说足个热门的睞题+经过不少设计人慣的经验及施工人庚经验的积累，共同作用的理论邊渐发展起来*考虑三者的相互作用、能反映基础真实的工作状态.2A上部结构刚度对基础受力的影响上部结构刚度对基础内力的影响上部结构的刚度对基础和地基的变形有一定的约束性°比较能有代表性的说明是两种处于根端tt态基础"即绝对刚ft和绝对柔性两种上部结构对基础梁来说，绝对刚性的上部结构(例如上部为剪力墙体系的禺供建筑较接近九在地基发生变化时.匕部结构不会发牛”明晶的变形.柱子

3、均境生旳匀沉降.当皋础发生沉降变化时.与柱子柑连接的地方不境生沉降变化，整个棊础梁就相为于是连续梁一样.慕础梁弯矩变化接近一致如图2,I(a)两示一而半号一种情况发生*即上部结构为完全柔性(如刚度校小的框架结构或排架结构九这样当地基发生变化吋*上部结构随览础的沉降而沉降，相当于ri按務荷投加到基础上，这种摊型込合常规的基础设计°基础的弯矩值和沉降的发生也会和刚性的上部结构发生不一样的变化丫如图2.1(b).一一VIII绝对柔性|(b)上部结构绝对柔性图2.1上部结构刚度对棊础变形的彫响人部分的I：榨中并不会出现绝对刚性或绝对柔性的匕部结构.只能说是偏向哪一个而已。而且根据施工的先后顺

4、序，上部结构的刚度是逐渐増加的，在逐步增加的过程中对基础的作用也会发生变化。在设计的时候很难判断上部结构处于哪种状态，町以借助工程实际经验及计算机的模拟。上部刚度人的结构对基础和地基的变形会产生一定的调签作用，同时也在自身内部产生较大的次生应力；相反，刚度较小的匕部结构自身的次生应力则比较小，在讨论共同作用的时候，应该让设计达到一个合理的状态，这不仅调整上部结构，也对基础和地基的选择提出了一定的要求，这就是考虑共同作用。上部结构刚度对基础影响贡献的有限性对于上部结构参与工作的计算方法有很多种，当上部结构为框架结构时，通常采用梅耶霍夫(G.G.Meyerhof,1963)提出的“等代刚度梁法”來

5、考虑平面框架结构的等效抗巧刚度，足种简化的考虑上部结构的共冋作用方法，來分析基础变形和内力以及地基反力。梅耶霍夫公式为:(2.1)式中My是基础承受的弯矩：E为基础的刚度；M为建筑物幣体弯曲产生的弯矩：必为上部结构计算得到的等代刚度，根据如下公式算得：(2.2)式(2.2)中：E,一一上部结构中梁柱的弹性模量：K匕一一笫i层结构的上柱，卜柱和梁的线刚度系数，莫值为厶/尤,I/.7W一一第i层结构的上柱，卜柱和梁的截面惯性矩；hjhz一一第i层结构的上柱，下柱的高度；h一一第i层结构的梁的长度：L一一上部结构弯曲方向的总长度；/上部结构弯曲方向的柱距：£一一剪力墙的弹性模最；/.一一剪

6、力墙的截面惯性矩：“一一上部结构的层数。根据梅耶霍夫公式来召当上部框架层数无限增加时，结构的刚度也是无限增人的，但根据许参已有的计算mi来看的话并菲如此，刚开始的时候，上部结构的刚度随层数的增加逐渐增人，但是到一定的层数Z后便增加的比较缓慢，然后趋于稳定的状态，梅耶霍夫过高的估计了上部结构的刚度，在使用的时候在一定的楼层范国内能用，超过一定的数量后便不能继续使用，所以不能表示共同作用对上部结构的影响.高层建筑箱型与筏型基础技术规范1241（JGJ6-99）规定，以8层作用为分界，参与共同工作的上部结构的层数低于8层时，取实际的层数，当层数高于8层时取8层。所以说，匕部结构对基础作用效果右一定的

7、约束性，但是是有限的。“等代刚度梁法”通常是将建筑转换为平面结构，这样的话就难以模拟形状不规则的高层建筑，但是能反映岀匕部结构刚度贡献的有限性问题。何限元法能灵活的处理复杂的上部结构。现在用的较普遍的了结啕法就是仃限元法的处理方法，子结构法能较好的模拟上部空间结构，在国内外都佇较好的应用，而且容易实现计算机的编程，减小存储的空间，以一种直观的方式实现结构由上至下的凝聚及刚度传递。2.2基础刚度对基底反力分布的影响绝对刚性基础和绝对柔性基础绝对刚性基础能将上部荷叔传递至板的周边然后作用在地基上面，然后会强迫地基产生均匀沉降，地基中的力就会51现四周较人而中间较小的状态.如图2.2所示的那样。弹性

8、半空间农面上的半径R的刚性基础反力分布P（r）的公式为：P（r2/（2.3）2J1-07R）其中7为平均反力.可以得出“（）=刁2,/?（/?）=ooop(x.y)图2.2刚性基础基底反力分布在绝对刚性基础作用下，筏板周I韦I的土受力较人，将首先到达炖服状态，产生小部分的蜩性区，然后随着蜩性区的发展.筏板底部的土将用来承受荷我，地基的反力会发生重分布。周边减小，中部增大，如图2.2.绝对柔性基础则是忽略氏本身的刚度，皑接放程在地基上，对荷戦的传递没自任何的扩散作用.相当于是荷载肖接作用在地棊卜施加多大的卜部荷载.就有相对应的棊底反力呈现.作用的是均布荷载的时候，沉降呈现为盆形的沉降，若要均匀沉

9、降的话.荷裁就要从中间向两边呈逐渐增大状.如(a)均布荷我(b)保持均匀沉降的荷我形式图2.3。T8H加P5y>q(v)viiiT'inWI.utmiiinr"P(X.y(a)均布荷敘(b)保持均匀沉降的荷载形式图2.3绝对柔性基础基底反力分布在实际的设计中这两类的基础都不会出现.高层建筑的基础衣部分接近于刚性基础状态，刚度的大小则是根据计算得出.基底反力分布的一些定性规律基础底面反力的分布除了和基础木身的刚度有关系之外，还与地基土的性质，荷载分布情况，基础形状等冇关。根据人量模型试验和现场实测资料显示，反力人致吋以分为三种类型：(丨)基底面积足够大，有一定的埋深，荷載

10、不大的情况下，地某土处于线性阶段，基底反力分布如图2.4(a)所示；当地基土刚度比较人时，反力的最人值更接近于边缘，即2.2中的绝对刚性基础描述的一样：(2)砂上地基上的小型基础，埋深较浅或荷戟较犬，尤其足当基础的刚度还不小时，基础的边缘土会先发生屈服，塑性区向基底发展，基底中部的反力将变得比较大，边缘处的反力则比较小，基底反力如图2.4(b)所示；<3)荷載很人时，整个地基将接近于破坏，基底的反力将分布不均，这时的反力会像中间部分走去而渐渐会成为钟形，如图2.4(c)所示，地基两端杆是存任较人的堆馭或者周I间台建筑物时，受其影响，也会出观钟形的怙况。(a)马鞍形(b)抛物线形(c)钟形

11、TTTITTTTTTJJ11iiTTI屮图2.4基底反力分布的几种典教情况2.3地基对基础受力状况的影响上部结构本身刚度和基础本身的刚度对其自身的受力状况都会产生很人的变化，除此之外，英受力状况还受地基土的压缩性及梵分布的均匀程度的影响。当地基土不可爪缩时，基础的整体弯曲和局部弯曲都特别小；上部结构也不会因为某础的不均匀沉降而产生次应力，实际工程中的土是有一定的压缩性的，而且分布不均匀，所以会产生整体的沉降，局部的沉降也会发生，这样在上部结构里就会产生局部的受力不均匀，而基础内部的弯矩也会发生较人的变化，所以在设计的时候就要充分考虑到地基土的特性,将地勘资料好好的应用到设计中去.土的性质在很犬程度上也会影响基础与土的接触面的性质，接触而的力学性质也会对基础的受力产生作用，进而影响这两者之间的相互作用，在岩土丁程有限元分析：应用中举例说明了竖向力作用卜三种接触面中共同分析的位移变化可以看出，摩擦还是对共同作用尙影响。所以当整体受力比较复杂的时候，还应巫视接