土體與框架結(jié)構(gòu)的共同作用對結(jié)構(gòu)的影響研究

劉 青 麗

(大同市永泰廣場，山西 大同　037000)

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土體與框架結(jié)構(gòu)的共同作用對結(jié)構(gòu)的影響研究

劉 青 麗

(大同市永泰廣場，山西 大同037000)

綜述了目前框架結(jié)構(gòu)的整體分析計(jì)算方法，介紹了實(shí)現(xiàn)以等效柱考慮土體約束作用的框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算方法的研究方法和步驟，歸納總結(jié)了地基土體對建筑結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和特點(diǎn)。

框架結(jié)構(gòu)，土體，基礎(chǔ)埋深，計(jì)算方法

1　基礎(chǔ)與框架結(jié)構(gòu)的整體分析方法

對于框架結(jié)構(gòu)在無地下室且基礎(chǔ)埋置深度較深的情況下，如何進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)實(shí)例及有關(guān)文獻(xiàn)資料[1-10]記載有以下幾種：

1)在地面處增設(shè)縱橫向地梁(框架梁)，不設(shè)板。不考慮地梁下結(jié)構(gòu)部分，以地梁處作為底層框架的嵌固點(diǎn)，進(jìn)行框架整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

2)在地面處設(shè)一剛性地面層(即設(shè)板)，以剛性地面層作為底層框架的嵌固點(diǎn)，進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算，不考慮地梁下結(jié)構(gòu)部分。

3)地梁設(shè)置情況同1)，將地梁下柱的抗側(cè)移剛度與地面上底層柱抗側(cè)移剛度進(jìn)行比較，以兩者之間的剛度比值是否超過一定值來判斷框架底層嵌固點(diǎn)是否位于地梁處，還是基礎(chǔ)面處，進(jìn)而進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。剛度比限值，各地取值不一，有的認(rèn)為剛度比大于2即底層嵌固點(diǎn)位于地梁處，有的認(rèn)為應(yīng)取大于5或8。

4)地梁設(shè)置情況同1)，框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，將地梁下土中結(jié)構(gòu)部分，作為一個(gè)結(jié)構(gòu)層(即增設(shè)一層)，加入框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，不考慮土體約束作用。

5)不設(shè)地梁，框架結(jié)構(gòu)底層計(jì)算高度，直接取自基礎(chǔ)面至2層樓面，不考慮地面以下土體約束作用。

6)不設(shè)地梁，引用文克勒(winkler)地基理論中基床系數(shù)，以考慮土體約束作用。取框架結(jié)構(gòu)底層一根柱(包括土中部分柱)，以頂端為滑動(dòng)支座，下端基礎(chǔ)面為固定支座作為計(jì)算簡圖，根據(jù)位移法，計(jì)算抗側(cè)移剛度，并利用抗側(cè)移剛度相等條件，導(dǎo)出底層柱的等效高度，進(jìn)而進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算。

7)參照中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元之分析與設(shè)計(jì)軟件》(Satwe軟件)中，考慮回填土對地下室約束的相對剛度系數(shù)的作法，以土中柱、墻表面積與假定有相同地質(zhì)條件下地下室外墻(完全剛性)表面積之比值，乘以該軟件所提供的相對剛度系數(shù)，得出一折算相對剛度系數(shù)，作為考慮周圍土體對結(jié)構(gòu)的約束作用，輸入該軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

8)采用有限元等數(shù)值方法對上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基共同作用進(jìn)行分析計(jì)算。

2　地基土對建筑結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)

土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，它既與基礎(chǔ)的埋深有關(guān)[1]，也與場地土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)自身的性質(zhì)有關(guān)[2，3]。近年來，國內(nèi)外有關(guān)專家，學(xué)者對此問題做了不少研究，概括起來土體與結(jié)構(gòu)共同作用及基礎(chǔ)埋深對上部結(jié)構(gòu)的影響，可分為以下幾大類：1)對結(jié)構(gòu)的變形影響；2)對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響；3)對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響；4)對結(jié)構(gòu)的基本周期、自振頻率等的影響；5)對地基承載力的影響。以下分別討論。

2.1對結(jié)構(gòu)的變形影響

文獻(xiàn)[4][5]對框架結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用做過研究。文獻(xiàn)[4][5]基礎(chǔ)類型分別為樁筏和樁基，主要考慮樁與地基土共同作用。文獻(xiàn)[4][5]通過有限元分析，得出的結(jié)論是：考慮土體與結(jié)構(gòu)共同作用會(huì)使框架結(jié)構(gòu)的水平位移增大，且建筑物越高，其頂點(diǎn)位移增加值越大。原因是：由于框架結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度較小，在水平荷載作用下整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生典型的剪切變行，且樁基礎(chǔ)也會(huì)產(chǎn)生一定的水平位移與轉(zhuǎn)角，改變了底層柱受力狀態(tài)，其頂點(diǎn)水平位移是底層柱柱腳發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)及各層框架發(fā)生剪切變形，而累加形成的。因而，與常規(guī)方法中將底層柱角視為完全固接的情況相比，柱底的轉(zhuǎn)動(dòng)改變了底層柱的受力狀態(tài)，使柱頂?shù)膹澗仄毡樵龃螅瑢娱g位移也隨之增大，柱底彎矩的變化又影響上部結(jié)構(gòu)的變位，依次類推，故導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移的增大。這從一個(gè)側(cè)面說明了，在本選題的情況下，如果將框架底層的嵌固點(diǎn)設(shè)在地梁處，將地梁處看成剛性點(diǎn)，而忽略地梁下土中結(jié)構(gòu)部分，是不合適的。

基礎(chǔ)的埋置深度對上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)也有影響，文獻(xiàn)[6]針對不同的高層建筑基礎(chǔ)的埋深，通過分別輸入地震波，進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算分析，分析結(jié)果表明：高層建筑基礎(chǔ)的水平位移隨著基礎(chǔ)埋深的增加而減少，建筑物頂部的位移隨著基礎(chǔ)埋深的增加而減少，而建筑基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角隨著基礎(chǔ)埋深的增加而增大。也有文獻(xiàn)[7][8]認(rèn)為：在規(guī)范要求的基礎(chǔ)范圍內(nèi)，增加埋深可在一定程度上減少建筑結(jié)構(gòu)頂部的位移，但是所減少的位移幅度不大，即增減基礎(chǔ)的埋深對考慮地基—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響并不明顯。有研究表明：在上部荷載相同的情況下，建筑物的豎向沉降變形隨著基礎(chǔ)埋深的增加而明顯減少，最終趨向于一個(gè)極限，同時(shí)上部荷載的大小將關(guān)系到基礎(chǔ)埋深對沉降變形影響程度的大小[9]。

2.2對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響

考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用，將使底層柱的內(nèi)力發(fā)生重新分布，邊柱的柱底彎矩值下降，中柱的柱底彎矩上升，柱頂?shù)膹澗刂灯毡樵龃螅旱膬?nèi)力產(chǎn)生增大變化，且這種現(xiàn)象一般在結(jié)構(gòu)的底層較為顯著，沿結(jié)構(gòu)的高度這種現(xiàn)象會(huì)逐漸消失，文獻(xiàn)[4][5]對上述現(xiàn)象做過研究。文獻(xiàn)[3]對上述問題也做過研究，得出的結(jié)論為：在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，考慮共同作用時(shí)，底層柱特別是角柱，邊柱軸力變化較大。但認(rèn)為按常規(guī)方法設(shè)計(jì)時(shí)，邊柱偏于不安全，中柱過于浪費(fèi)。

有研究[10]采用彈性地基梁鏈桿法并考慮基礎(chǔ)埋深影響的方法，對基礎(chǔ)梁的內(nèi)力進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明：不考慮基礎(chǔ)埋深影響的基礎(chǔ)梁內(nèi)力大于考慮基礎(chǔ)埋深影響的基礎(chǔ)梁內(nèi)力。

當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，其對基礎(chǔ)變形約束大，基礎(chǔ)猶如倒置的連續(xù)梁，在基礎(chǔ)梁內(nèi)不產(chǎn)生整體彎曲，故基底分布反力為外荷載產(chǎn)生局部彎曲，當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí)，上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的變形約束小，于是在基礎(chǔ)梁上產(chǎn)生局部彎曲的同時(shí)，還產(chǎn)生很大的整體彎曲。

文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了彈性地基上的片筏基礎(chǔ)與土的相互作用分析，在計(jì)算地基變形時(shí)，考慮了基礎(chǔ)埋深的影響，并討論了考慮與不考慮基礎(chǔ)埋深兩種情況下地基反力和基礎(chǔ)內(nèi)力、沉降的變化，得出如下結(jié)果：

1)當(dāng)基礎(chǔ)埋深大于1.5m時(shí)，必須考慮基礎(chǔ)埋深影響。2)對于淺埋(埋深小于1.5m)的片筏基礎(chǔ)，若不考慮基礎(chǔ)埋深，對地基反力、基礎(chǔ)內(nèi)力和地基沉降影響不大。

隨著基礎(chǔ)埋置深度的增加，阻尼增大后，結(jié)構(gòu)底部剪力會(huì)相應(yīng)減小，而且土質(zhì)越軟，埋置深度越深，底部剪力減少越多。

2.3對上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

基礎(chǔ)的埋深對建筑物的抗滑，抗傾覆有著很大的作用。高規(guī)對高層建筑的基礎(chǔ)埋深做了詳細(xì)的規(guī)定，主要原因是：地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)與基礎(chǔ)埋置深度關(guān)系較大，尤其場地土為軟弱土層時(shí)表現(xiàn)更為明顯，為確保建筑物的安全，增強(qiáng)抗滑移和抗傾覆的能力，故高層建筑的基礎(chǔ)應(yīng)有一定的埋置深度。當(dāng)抗震設(shè)防烈度下場地差時(shí)，更宜采用較大的基礎(chǔ)埋置深度。文獻(xiàn)[12]針對兩幢不同的高層建筑物，分別進(jìn)行了地震作用下的抗滑穩(wěn)定性分析，以研究高層建筑物的穩(wěn)定性與基礎(chǔ)的埋置深度的關(guān)系，研究結(jié)果表明：建筑物基礎(chǔ)的埋置深度對建筑物的抗滑穩(wěn)定性有著顯著的影響。但也有文獻(xiàn)[12][13]研究表明，在地震烈度8度以下，層數(shù)不是很多的建筑物，在符合高規(guī)規(guī)定的高寬比下，即使基礎(chǔ)埋置很淺，也不容易產(chǎn)生傾覆，滑移或地基失穩(wěn)，可以滿足抗滑穩(wěn)定的要求。

2.4對上部結(jié)構(gòu)的基本周期、自振頻率、加速度等參數(shù)的影響

文獻(xiàn)[10]研究表明：地基土和上部結(jié)構(gòu)共同工作體系的基本周期與基礎(chǔ)埋深多少的關(guān)系不大。文獻(xiàn)[14]研究也表明，在場地條件相同情況下，共同工作體系的自振頻率與基礎(chǔ)埋深的關(guān)系不明顯，但文獻(xiàn)[15]研究卻表明：共同工作體系的自振頻率及上部結(jié)構(gòu)的加速度和位移峰值，隨著建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深的增大而相應(yīng)增大。

2.5對地基承載力的影響

許多研究資料表明，地基承載力隨基礎(chǔ)埋深增加而增大，并且近似呈線性增長。主要原因是：隨著埋深的增加，土體自重的增加，使地基極限荷載和臨塑荷載均有較大提高，但塑性區(qū)的開展范圍將減少，故地基承載力得以提高。

3　結(jié)語

對目前框架結(jié)構(gòu)的整體分析計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)和評述，并提出了實(shí)現(xiàn)以等效柱考慮土體約束作用的框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算方法的研究方法和步驟，歸納總結(jié)了地基土體對建筑結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和特點(diǎn)，為工程設(shè)計(jì)分析提供參考。

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Theeffectofstructureduetothecollectiveeffectbetweenfoundationandframe

LiuQingli

(Yongtai Square from Datong， Datong 037000, China)

Carriesonthesummaryandthenarrationtothestatedabovetype’sportalframeconstruction’soverallanalysisandcomputationalmethod.Andalsopointingouttheresearchtechniqueandthestepintheoverallframeconstructionanalysisandcomputationmethodswhicharerealizingtheequivalentcolumnconsiderationsoilbodyrestraintfunction，itsummarizesandconcludestheeffectandcharacteristicofgroundsoilbodytotheconstructionstructure.

framework,soilbody,foundationdepth,calculationmethod

1009-6825(2016)23-0055-02

2016-06-05

劉青麗(1969- )，女，工程師

TU323.5

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