高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響分析

趙彥波

(北京天鴻圓方建筑設(shè)計有限責任公司 北京 100062)

高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響分析

趙彥波

(北京天鴻圓方建筑設(shè)計有限責任公司 北京 100062)

是否考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計計算結(jié)果影響明顯。文章采用有限元分析方法，分析了兩個工程實例在使用YJK軟件(盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件)進行高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時考慮上部結(jié)構(gòu)剛度軟件實現(xiàn)的參數(shù)設(shè)置注意事項及對設(shè)計計算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計考慮上部剛度影響可以有效減小基礎(chǔ)沉降量及沉降差，使基礎(chǔ)設(shè)計更經(jīng)濟、合理。

高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計；上部結(jié)構(gòu)剛度；建筑結(jié)構(gòu)分析

0 引言

工程中的建筑結(jié)構(gòu)體系是由上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基三部分組成的統(tǒng)一體，在荷載、地震作用下，三者相互影響、共同作用[1]。國家規(guī)范相關(guān)條文規(guī)定，建有多棟高層或低層建筑的整體大面積基礎(chǔ)宜考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同作用進行變形計算，筏板厚度、配筋的確定宜按共同作用的基礎(chǔ)變形和基底反力計算[2]。

隨著人們對地基基礎(chǔ)問題研究的不斷深入，建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析大致經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即：不考慮共同作用階段，考慮基礎(chǔ)與地基共同作用階段以及充分考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基共同作用階段。建筑結(jié)構(gòu)共同作用分析理論就是把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基三者作為共同工作的整體而研究的計算分析方法，特別是建造于較軟弱地基上的高層建筑結(jié)構(gòu)進行計算分析、設(shè)計，能夠比較真實客觀地反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，也是被認為是比較安全、經(jīng)濟與合理的分析方法[3]。

建筑結(jié)構(gòu)共同作用分析方法是伴隨著有限單元法及子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的應(yīng)用而逐步發(fā)展起來的。本文通過兩個工程實例，對使用YJK軟件進行高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計時，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)設(shè)置注意事項及對設(shè)計結(jié)果的影響進行探討分析。

1 計算原理與軟件實現(xiàn)

1.1計算原理

YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件系統(tǒng)是由北京盈建科軟件股份有限公司研發(fā)的一套集成化建筑結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計系統(tǒng)。其基礎(chǔ)設(shè)計模塊YJK-F，對于筏板、地基梁及筏板內(nèi)布置獨基、樁承臺、柱墩的整體式基礎(chǔ)，或分離式的復雜獨基、承臺基礎(chǔ)和地梁聯(lián)合布置的基礎(chǔ)統(tǒng)一按“考慮上部剛度的彈性地基梁板法”分析[4]。

實際工程中，上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基協(xié)同工作、互相影響。YJK-F在考慮上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)共同作用時，采用了基于子結(jié)構(gòu)思想的上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同作用分析，將上部結(jié)構(gòu)剛度與荷載向下部基礎(chǔ)凝聚實現(xiàn)的，軟件中“彈性地基梁板理論分析方法”考慮了地基、基礎(chǔ)的共同作用，并在此基礎(chǔ)上，引入由上部結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)處凝聚的剛度和荷載向量矩陣來反映基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的共同作用。

1.2軟件實現(xiàn)

考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算在YJK軟件中實現(xiàn)需要如下操作及注意事項。在上部結(jié)構(gòu)計算時，應(yīng)在參數(shù)的結(jié)構(gòu)總體信息中勾選“生成傳給基礎(chǔ)的剛度”選項，從而將上部結(jié)構(gòu)剛度及荷載凝聚下傳。在隨后的基礎(chǔ)計算時應(yīng)在“樁筏筏板彈性地基梁計算參數(shù)”對話框中選擇考慮上部結(jié)構(gòu)剛度。

圖3 基礎(chǔ)沉降三維圖

需要注意的是，程序只在剪力墻兩端建立上、下結(jié)點的連接關(guān)系，造成墻線中部對基礎(chǔ)的約束并沒有體現(xiàn)。因此，可以將剪力墻簡化成深梁模型即有限高度的彈性梁作為補充，在“板上剪力墻計算方案”中勾選“深梁”選項。有限高度彈性梁的剪力墻計算方案彌補了墻中部節(jié)點與基礎(chǔ)缺少協(xié)調(diào)連接而未考慮的上部結(jié)構(gòu)剛度，使得分析計算更符合實際、合理。此選項選擇剛性約束時，剪力墻等同于無限高度的深梁，墻下節(jié)點只發(fā)生剛體平動和旋轉(zhuǎn)，這與實際受力情況不符，因此，一般情況下不建議使用剛性約束方案，同時也不需要考慮剪力墻的整體高度，深梁的等效高度填寫5m～10m即可。

2 上部剛度對基礎(chǔ)設(shè)計的影響

下文是兩個實際工程案例，通過對比是否考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計計算數(shù)據(jù)，得出上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)設(shè)計的影響。

案例1，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層，地上26層，層高2.9m，總高度75.5m。擬建場地處于抗震設(shè)防烈度8度區(qū)內(nèi)，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第二組，Ⅲ類場地，特征周期Tg為0.55s。基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚800mm，樁長25.1m，基礎(chǔ)布置的三維軸側(cè)圖如圖1所示。

圖1 樁筏基礎(chǔ)

案例2，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層，地上17層，層高2.85m，總高度48.55m。擬建場地處于抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，設(shè)計地震分組為第二組，特征周期Tg為0.40s，Ⅱ類場地。基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，筏板厚500mm，基礎(chǔ)布置的三維軸側(cè)圖如圖2所示。

圖2 筏板基礎(chǔ)

2.1上部剛度對基礎(chǔ)沉降的影響

兩個案例的基礎(chǔ)三維沉降(考慮上部剛度)如圖3所示，考慮與不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的沉降計算數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 沉降分析結(jié)果對比

對比表中數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)的沉降計算在考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后，最大沉降量項，案例1由25.2mm減小至22.3mm，案例2由39.0減小至35.3mm。基礎(chǔ)沉降差方面，絕對沉降差案例1由17.1mm減小至12.1mm，案例2由14.1mm減小至8.6mm。相對沉降差案例1由0.08%減小至0.05%，案例2由0.10%減小至0.06%。

以上對比數(shù)據(jù)反映出上部結(jié)構(gòu)剛度對減少基礎(chǔ)沉降的貢獻，即基礎(chǔ)沉降計算在考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后，其最大沉降及差異沉降量均明顯減小、基礎(chǔ)沉降更加均勻。

2.2上部剛度對地基承載力驗算的影響

案例1的樁豎向承載力驗算與案例2的地基承載力驗算結(jié)果如表2～表3所示。其中，案例1樁豎向承載力特征值Ra為2200kPa，案例2地基承載力特征值fa為390kPa。

表2 案例1樁豎向承載力驗算 kPa

表3 案例2地基承載力驗算 kPa

表中數(shù)據(jù)可得出：非地震作用組合時，樁承載力驗算2360kPa<2600kPa<1.2Ra=2640kPa，地基承載力驗算432kPa<462kPa<1.2Ra=468kPa。地震作用組合時，樁抗震承載力驗算3078kPa<1.5Ra=3300kPa<3594kP，地基抗震承載力驗算523kPa<1.5Ra=585kPa<625kPa。在未考慮上部結(jié)構(gòu)剛度時，案例1樁豎向承載力驗算和案例2地基承載力驗算在地震作用組合下均不滿足抗震承載力要求，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后有效解決了未考慮時地基承載力驗算不通過的問題。

2.3上部剛度對鋼筋用量的影響

基礎(chǔ)設(shè)計配筋時，不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響的最大正、負彎矩值較大，造成相應(yīng)位置的配筋量及配筋率偏大而不合理。在考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響后，基礎(chǔ)的配筋率明顯減小。表4為兩個案例X向計算配筋與實際配筋面積的數(shù)據(jù)對比。

表4 兩案例X向計算配筋與實際配筋數(shù)據(jù)對比

注：表中，實配鋼筋例“Φ18@200+Φ16@200”表示前者通長筋Φ18@200加上后者補強筋Φ16@200。

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，基礎(chǔ)配筋在考慮了上部結(jié)構(gòu)剛度后局部配筋偏大的狀況明顯改善，基礎(chǔ)彎矩較大的應(yīng)力集中部位如實例2頂部0.98%的較高板配筋率降至0.45%左右。考慮上部結(jié)構(gòu)剛度解決了筏板局部應(yīng)力較大部位的配筋偏大問題，使得基礎(chǔ)設(shè)計配筋更合理、均勻。

圖4為配筋量-考慮樓層數(shù)變化關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的層數(shù)與基礎(chǔ)配筋量成一定關(guān)系，即：隨著考慮上部結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，基礎(chǔ)配筋總量逐漸減小，當考慮3層以上結(jié)構(gòu)剛度影響時配筋量趨于穩(wěn)定。因此，選項“凝聚局部樓層剛度時考慮的底部層數(shù)”一般填寫3～5即可。

圖4 配筋量-考慮樓層數(shù)變化關(guān)系曲線

考慮了上部結(jié)構(gòu)剛度影響后，在基礎(chǔ)總配筋量方面，實例1由32.78t最多可減小至27.96t，節(jié)省鋼筋量14.7%，實例2由32.15t最多可減小至14.62t，鋼筋節(jié)省量高達54.5%。有效利用上部結(jié)構(gòu)剛度，使得基礎(chǔ)內(nèi)力計算合理、工程用料更加節(jié)省。

3 結(jié)論

本文通過兩個實際工程案例基礎(chǔ)設(shè)計計算結(jié)果數(shù)據(jù)的對比，探討了上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)設(shè)計的影響，得到以下結(jié)論供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

(1)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后基礎(chǔ)的最大沉降量和沉降差明顯減小，使得沉降計算更合理，真實地反映上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的受力狀況。

(2)上部結(jié)構(gòu)剛度的考慮可解決抗震承載力驗算不滿足的問題。

(3)隨著考慮上部結(jié)構(gòu)剛度層數(shù)增大基礎(chǔ)配筋總量減少并趨于平穩(wěn)，基礎(chǔ)設(shè)計計算時一般可考慮3～5層上部結(jié)構(gòu)剛度影響。

(4)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度可解決筏板局部配筋偏大的問題，并節(jié)省筏板的鋼筋用量，使設(shè)計更趨合理，充分發(fā)揮基礎(chǔ)材料的作用。

考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)的約束作用，可以有效利用上部結(jié)構(gòu)剛度，使得基礎(chǔ)內(nèi)力計算更加合理、符合實際，工程用料更加節(jié)省，對工程應(yīng)用有重要的實際意義和經(jīng)濟意義。

[1] 孫建琴，李從林.建筑結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用分析方法[M].北京：科學出版社，2014.

[2] GB50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 肖強，丁翠.上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用問題的研究現(xiàn)狀[J].浙江建筑，2009(9)：28-33.

[4] 北京盈建科軟件股份有限公司.YJK-F基礎(chǔ)設(shè)計軟件用戶手冊[Z].2015.

Tallbuildingfoundationdesignontheanalysisofthestiffnessoftheupperstructure

ZHAOYanbo

(Beijing Tianhong Yuanfang Architectural Design CO.,Ltd. , Beijing 100062)

The calculation results for architectural structure foundation design can be quite different by taking the superstructure rigidity into account. In this paper, the superstructure rigidity is considered during the design of high rise building foundations by exploiting the YJK software through two engineering projects. The parameter setting and the influence made on the calculation results for design are noticed by finite element analysis. The results indicate that it can reduce the subsidence and settlement difference by considering the superstructure rigidity influence during the architectural structure basic design. Meanwhile, it makes the basic design more economically and more reasonably.

Foundation design of high rise buildings; Superstructure rigidity; Architectural structure analysis

TU973

A

1004-6135(2017)11-0045-04

趙彥波(1988- )，男，工程師。

E-mail:yebo0829@163.com

2017-08-16