土體與框架結構的共同作用對結構的影響研究

劉 青 麗

(大同市永泰廣場，山西 大同　037000)

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土體與框架結構的共同作用對結構的影響研究

劉 青 麗

(大同市永泰廣場，山西 大同037000)

綜述了目前框架結構的整體分析計算方法，介紹了實現以等效柱考慮土體約束作用的框架結構整體分析計算方法的研究方法和步驟，歸納總結了地基土體對建筑結構的作用效應和特點。

框架結構，土體，基礎埋深，計算方法

1　基礎與框架結構的整體分析方法

對于框架結構在無地下室且基礎埋置深度較深的情況下，如何進行框架結構整體分析計算，根據現有的工程設計實例及有關文獻資料[1-10]記載有以下幾種：

1)在地面處增設縱橫向地梁(框架梁)，不設板。不考慮地梁下結構部分，以地梁處作為底層框架的嵌固點，進行框架整體結構分析計算。

2)在地面處設一剛性地面層(即設板)，以剛性地面層作為底層框架的嵌固點，進行框架結構整體分析計算，不考慮地梁下結構部分。

3)地梁設置情況同1)，將地梁下柱的抗側移剛度與地面上底層柱抗側移剛度進行比較，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是否位于地梁處，還是基礎面處，進而進行框架結構整體計算。剛度比限值，各地取值不一，有的認為剛度比大于2即底層嵌固點位于地梁處，有的認為應取大于5或8。

4)地梁設置情況同1)，框架結構整體計算時，將地梁下土中結構部分，作為一個結構層(即增設一層)，加入框架結構整體計算，不考慮土體約束作用。

5)不設地梁，框架結構底層計算高度，直接取自基礎面至2層樓面，不考慮地面以下土體約束作用。

6)不設地梁，引用文克勒(winkler)地基理論中基床系數，以考慮土體約束作用。取框架結構底層一根柱(包括土中部分柱)，以頂端為滑動支座，下端基礎面為固定支座作為計算簡圖，根據位移法，計算抗側移剛度，并利用抗側移剛度相等條件，導出底層柱的等效高度，進而進行框架結構受力分析計算。

7)參照中國建筑科學研究院開發的《多層及高層建筑結構空間有限元之分析與設計軟件》(Satwe軟件)中，考慮回填土對地下室約束的相對剛度系數的作法，以土中柱、墻表面積與假定有相同地質條件下地下室外墻(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，得出一折算相對剛度系數，作為考慮周圍土體對結構的約束作用，輸入該軟件進行整體結構分析計算。

8)采用有限元等數值方法對上部結構—基礎—地基共同作用進行分析計算。

2　地基土對建筑結構的作用效應

土體與結構之間的相互作用是一個比較復雜的問題，它既與基礎的埋深有關[1]，也與場地土的性質和結構自身的性質有關[2，3]。近年來，國內外有關專家，學者對此問題做了不少研究，概括起來土體與結構共同作用及基礎埋深對上部結構的影響，可分為以下幾大類：1)對結構的變形影響；2)對結構的內力影響；3)對結構的穩定性影響；4)對結構的基本周期、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對結構的變形影響

文獻[4][5]對框架結構與地基基礎共同作用做過研究。文獻[4][5]基礎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[4][5]通過有限元分析，得出的結論是：考慮土體與結構共同作用會使框架結構的水平位移增大，且建筑物越高，其頂點位移增加值越大。原因是：由于框架結構體系的側向剛度較小，在水平荷載作用下整個結構產生典型的剪切變行，且樁基礎也會產生一定的水平位移與轉角，改變了底層柱受力狀態，其頂點水平位移是底層柱柱腳發生轉動及各層框架發生剪切變形，而累加形成的。因而，與常規方法中將底層柱角視為完全固接的情況相比，柱底的轉動改變了底層柱的受力狀態，使柱頂的彎矩普遍增大，層間位移也隨之增大，柱底彎矩的變化又影響上部結構的變位，依次類推，故導致了結構頂點水平位移的增大。這從一個側面說明了，在本選題的情況下，如果將框架底層的嵌固點設在地梁處，將地梁處看成剛性點，而忽略地梁下土中結構部分，是不合適的。

基礎的埋置深度對上部結構的動力反應也有影響，文獻[6]針對不同的高層建筑基礎的埋深，通過分別輸入地震波，進行動力反應計算分析，分析結果表明：高層建筑基礎的水平位移隨著基礎埋深的增加而減少，建筑物頂部的位移隨著基礎埋深的增加而減少，而建筑基礎的轉角隨著基礎埋深的增加而增大。也有文獻[7][8]認為：在規范要求的基礎范圍內，增加埋深可在一定程度上減少建筑結構頂部的位移，但是所減少的位移幅度不大，即增減基礎的埋深對考慮地基—結構動力相互作用的高層結構動力反應的影響并不明顯。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埋深的增加而明顯減少，最終趨向于一個極限，同時上部荷載的大小將關系到基礎埋深對沉降變形影響程度的大小[9]。

2.2對結構構件內力的影響

考慮上部結構與地基基礎的共同作用，將使底層柱的內力發生重新分布，邊柱的柱底彎矩值下降，中柱的柱底彎矩上升，柱頂的彎矩值普遍增大，梁的內力產生增大變化，且這種現象一般在結構的底層較為顯著，沿結構的高度這種現象會逐漸消失，文獻[4][5]對上述現象做過研究。文獻[3]對上述問題也做過研究，得出的結論為：在實際工程設計中，考慮共同作用時，底層柱特別是角柱，邊柱軸力變化較大。但認為按常規方法設計時，邊柱偏于不安全，中柱過于浪費。

有研究[10]采用彈性地基梁鏈桿法并考慮基礎埋深影響的方法，對基礎梁的內力進行分析計算，結果表明：不考慮基礎埋深影響的基礎梁內力大于考慮基礎埋深影響的基礎梁內力。

當考慮上部結構剛度較大時，其對基礎變形約束大，基礎猶如倒置的連續梁，在基礎梁內不產生整體彎曲，故基底分布反力為外荷載產生局部彎曲，當考慮上部結構剛度較小時，上部結構對基礎的變形約束小，于是在基礎梁上產生局部彎曲的同時，還產生很大的整體彎曲。

文獻[11]進行了彈性地基上的片筏基礎與土的相互作用分析，在計算地基變形時，考慮了基礎埋深的影響，并討論了考慮與不考慮基礎埋深兩種情況下地基反力和基礎內力、沉降的變化，得出如下結果：

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

隨著基礎埋置深度的增加，阻尼增大后，結構底部剪力會相應減小，而且土質越軟，埋置深度越深，底部剪力減少越多。

2.3對上部結構穩定性的影響

基礎的埋深對建筑物的抗滑，抗傾覆有著很大的作用。高規對高層建筑的基礎埋深做了詳細的規定，主要原因是：地震作用下結構的動力效應與基礎埋置深度關系較大，尤其場地土為軟弱土層時表現更為明顯，為確保建筑物的安全，增強抗滑移和抗傾覆的能力，故高層建筑的基礎應有一定的埋置深度。當抗震設防烈度下場地差時，更宜采用較大的基礎埋置深度。文獻[12]針對兩幢不同的高層建筑物，分別進行了地震作用下的抗滑穩定性分析，以研究高層建筑物的穩定性與基礎的埋置深度的關系，研究結果表明：建筑物基礎的埋置深度對建筑物的抗滑穩定性有著顯著的影響。但也有文獻[12][13]研究表明，在地震烈度8度以下，層數不是很多的建筑物，在符合高規規定的高寬比下，即使基礎埋置很淺，也不容易產生傾覆，滑移或地基失穩，可以滿足抗滑穩定的要求。

2.4對上部結構的基本周期、自振頻率、加速度等參數的影響

文獻[10]研究表明：地基土和上部結構共同工作體系的基本周期與基礎埋深多少的關系不大。文獻[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埋深的關系不明顯，但文獻[15]研究卻表明：共同工作體系的自振頻率及上部結構的加速度和位移峰值，隨著建筑結構基礎埋深的增大而相應增大。

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，但塑性區的開展范圍將減少，故地基承載力得以提高。

3　結語

對目前框架結構的整體分析計算方法進行總結和評述，并提出了實現以等效柱考慮土體約束作用的框架結構整體分析計算方法的研究方法和步驟，歸納總結了地基土體對建筑結構的作用效應和特點，為工程設計分析提供參考。

[1]李亮,杜修力,李立云.基礎埋深對建筑結構影響的研究現狀綜述[J].工業建筑,2006,36(sup):626-648.

[2]洪小健,顧明.風和地震作用下高層建筑土—結構作用比較[J].同濟大學學報(自然科學版),2007,35(4)：440-445.

[3]張繼承,劉飛.上部結構與土體共同作用的影響[J].武漢大學學報,2010,32(3):62-68.

[4]田曉艷.水平荷載作用下上部結構—基礎—地基的三維有限元分析[J].南昌大學學報(工科版),2009,31(3):268-270.

[5]陳曉平,賈成,劉祖德.水平荷載下高層框架結構與地基基礎相互作用的性狀分析[J].工業建筑,1998,28(8):37-42.

[6]馮辛能.高層建筑基礎的埋置深度對上部結構動力反應的影響[J].福建建筑,1997(sup)：107-110.

[7]蒯行成,沈蒲生,陳軍.埋置基礎近似動力模型及其應用[J].振動工程學報,1997,10(4):506-509.

[8]蒯行成,沈蒲生,陳軍.地基—筒體結構的地震反應分析[J].湖南大學學報,1997,24(4):79-85.

[9]應永法,泮威風.圓型板基礎下地基強度和變形非線性性狀研究[J].巖土力學,2002,23(2):250-256.

[10]陳甦,殷志文,陳旭元.考慮埋深的彈性地基梁鏈桿法[J].土工基礎,2002,16(1)：28-33.

[11]李志飆,姚祖恩.考慮基礎埋深的片筏基礎與土的相互作用分析[J].浙江大學學報(自然科學版),1995,29(1):91-97.

[12]張在明,陳雷.高層建筑地基整體穩定性與基礎埋深關系的研究[J].工程勘察,1994(6):2-4,12.

[13]韓小雷,季靜,李立榮.地震作用下高層建筑箱(筏)基礎埋深的探討[J].華南理工大學學報(自然科學版),2000, 28(9):93-98.

[14]張國棟.土與結構相互作用體系動力特性研究[J].巖土力學,2004,25(S2):397-400.

[15]李培振,呂西林.考慮土—結構相互作用的高層建筑抗震分析[J].地震工程與振動工程,2004,24(3):130-138.

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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