浅析上部结构与地基基础共同作用

摘要：

在上部结构与地基基础共同作用问题的研究方面，虽然取得许多成果；但由于此项研究课题自身的复杂性，在研究中仍存在一些问题需要解决，如计算模型的选取、上部结构凝聚刚度的层数等等，在诸多方面还有深化和细化的空间。

关键词：上部结构；地基基础；共同作用

中图分类号： C35 文献标识码： A

引言：在建筑设计的地基基础问题上，地基与基础的设计往往是在一系列理想的条件下通过经验修正得到的；然而，岩土不同于其他材料，其弹塑性本构关系特殊。在地基的强度与变形都满足条件的情况下，由于理想条件的假定使得计算结果通常只对一小部分的模型较为合适，而对于地基较为复杂，上部结构要求较高的工程就不再适用。这是因为跟理想的条件不同，地基不是连续均匀的，地基基础与上部结构的相互作用对结构的整体稳定性影响更大。因此地基基础设计时要着重于三者相互作用的情况进行分析，这样不但能得到合理的效果，还能获得很大的经济效益。

一般情况下如果地基土较均匀，压缩性较低，则地基的不均匀沉降会很小，这时对地基承载力起变形条件的主要作用是地基，其次是基础，上部结构的作用是非常有限的，那么考虑三者的相互作用意义就不大，按常规方法即可得出合理的结果。

但是假如地基软弱并且上部结构为砖石砌体承重结构，或者为钢筋混凝土框架结构敏感性结构、基础为条形基础。按常规的方法就不能得到满意的结果，这就需要考虑地基基础与上部结构共同承担荷载而产生的变形，三者不仅要满足静力平衡，还要满足变形协调条件，也就是结构刚度对地基不均匀沉降的影响。

一、上部结构与地基基础共同作用的整体分析概念

建筑上部结构和地基基础之间的共同作用，也就是将建筑的上部结构设计、地基基础之间看作一个统一的整体结构。满足他们在连接部位的变形协调，然后用共同作用得到整个系统的内力和变形的方法我们就称为两者共同作用的分析方法。在结构设计当中，一类是把上部结构的刚度视为无穷大，把基础与上部结构连接的节点看作是不动的铰支点，在基础底部接触压力为点线分布的假定下计算基础内力。对桩筏和桩箱基础，则将桩顶为不动铰支点，来分析上部结构荷载作用下的梁和板，因此实际上仍然把上部结构视为绝对刚性。另一类则是将基础的刚度考虑为无限大，得出建筑上部结构作用在在基础顶面上的固端反力，然后把这一反力作用在基础之上，考虑的是基础和地基的共同作用，忽略上部结构的影响，这种方法并不完全，但是因为建筑上部结构非常复杂，其计算手段也有很大的限制，所以，一直到现在，常规方法还在被广泛应用。以上的两种方法都没有考虑建筑上部结构和地基基础之间的相互作用，并不能真实有效的反映出建筑上部结构和地基基础之间的受力情况。忽略两者之间的任何一方，都只能得到一个不准确的分析状况。所以，建筑上部结构和地基基础之间共同作用的分析方法，成为了当前社会的主流研究方法。

二、上部结构和地基基础之间共同作用方法

以上两种方法的不足之处即结构形式不同，上部结构刚度差别很大。实际工程中上部结构刚度是逐步形成的，所以简单地把上部结构刚度都是为无穷大是不合理的，另一方面上部结构总有一定的刚度，特别是对高层建筑而言，忽略其刚度与整个体系实际上发生的共同作用过程相差悬殊；因此，应将上部结构，基础和地基三者视为一个完整的体系来进行共同作用分析即共同作用方法。

有限元法:将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来;单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。

解析法:采用结构力学的方法，将整个静力平衡体系分割成三部分，每个部分独立求解。使用弹性力学科当中的解答对高层建筑上部结构和地基基础之间作用进行分析。

边界元法:边界元法也称边界积分方程法，是20世纪60年代开始发展起来的一种数值方法，它与电子计算机技术的发展和应用紧密相联。边界元法的基本理论及该方法在结构工程方而的一些应用，如杆件扭转、弹性静力学、梁板弯曲、结构动力分析、土与结构相互作用等。

三、上部结构与地基基础之间共同作用分析

1.地基刚度的影响。地基变化主要归结为刚度的变化，当地基变得软弱时，基础内力与相对挠曲增加;相反，当地基刚度增加到相当大的程度时，上部结构的刚度对基础内力则没有影响。因为这时不均匀沉降已很小，不需要上部结构来减少不均匀的沉降。

2.基础刚度的影响。基础的变化可主要归结为刚度的变化，基础刚度变化对上部结构内力和基础内力等有显著地影响。在上部结构刚度与地基条件不变的情况下，基础内力随其刚度的增大而增大，相对挠曲则随之减小;相反，上部结构中的次应力却随基础刚度减小而明显增大。

3.上部结构刚度的影响。上部结构的变化主要归结为刚度的变化。上部结构的刚度系水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。在地基、基础和荷载条件下不变的情况下，增加上部结构的刚度会减小基础的相对挠曲和内力，但同时导致上部结构自身内力的增加，也就是说，上部结构减小基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应该注意的是上部结构的刚度贡献并不是无限的。

共同作用分析中，地基模型的选择对结构影响较大，Winkler地基有较严重的缺陷和局限性；弹性半空间与分层地基模型较合理，但分析结果在基础与地基的接触而上有较严重的边缘反力集中现象，基础内力比实际受力大得多；而非线性模型地基对此缺陷有所改变。

4.上部结构与地基基础共同作用的成果

4.1共同作用机理方面

首先，上部结构的影响。在保持地基、基础和承载条件不变的前提下，如果对上部结构的刚度增加，则会促使基础的内力和相对挠曲减少，同时会造成上部结构的内力增加。但值得我们注意的是，上部结构所能贡献的刚度是有限的，要掌握好一个度。其次，地基刚度的影响。如果地基变软弱的时候，基础的相对挠曲和内力会相应地增加。反之如果地基的刚度增加到一定程度时，对于基础内力来说，上部结构便不会对其产生什么影响。

4.2上层建筑与地基基础共同作用分析的一些结论

4.2.1上部结构的贡献刚度具有有限性。建筑上层机构的层数的增多上部机构的刚度也会随之增加，但相反的是，增加的速度会逐步变慢最后趋于稳定，所以上部结构的贡献刚度是有限制的，同时，还能对于基础的沉降差异产生一定的作用。

4.2.2关于地基弹性模量所造成的影响。他与平均沉降是相互成反比的关系，同时其变化不会对差异沉降产生较明显的影响。但对于基础底板的弯矩等会产生显著的影响。

4.2.3在基础底板的应力方面。基础底板的应力，受建筑物整体结构的刚度形成过程的影响，是上部结构与地基基础，二者同时产生作用的结果，同时温度也会对他们造成一定影响。

5.考虑结构共同作用的优越性

利用共同工作分析理论可以提高和改善建筑结构设计的水平和质量，取得更大的经济效益，具体表现在:有效地利用上部结构的刚度，是基础的结构尺寸减小到最小程度;把上部结构与基础作为一个整体来考虑，箱型基础的高度和筏板基础厚度可大为减少。对建筑层数悬殊、结构形式各异的主楼与裙房，可分别采用小同形式的基础，经过慎重而又仔细的共同分析比较，可使主楼裙房的基础与上部结构全部连接成整体，实现建筑功能上的要求。一般来说，地基、基础和上部结构谁的刚度大谁承担的力就越大，采用共同作用分析理论合理地设计地基与基础不但能够使三者的刚度趋于一致，而且还能够避免采用单独分析是不能满足的位移协调条件。从而可以达到减小基础内力与沉降，降低造价的目的。

结语：

在学术界和工程界中，上部结构与地基基础共同作用的问题越来越受到关注，是研究的热点问题。上部结构与地基基础共同作用问题，是在岩土工程研究中的热点课题。自20世纪50年代起，国内外的学界就开始注意到共同作用的研究价值，并付诸行动，在理论、实验、实测方面做了大量研究，并取得了令人欣喜的成果。但此项研究还有许多问题尚未解决，现今随着计算机技术及分析数值方法的发展，我们可以借助其对此项研究进一步推进。

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