高層建筑上部結構與地基基礎共同作用的研究

摘要：上部結構·基礎以及地基這三個部分之間互相影響、互相聯系以及互相作用，建筑項目進行設計之時一定要充分意識到現實工況以及設計方案間的差異狀況，對多種因素進行綜合考慮。在此文中，作者與自己專業知識相結合，聯系相關的實際項目對高層建筑上部結構和地基基礎共同作用的有關問題進行了綜合分析與探討。

關鍵詞：高層建筑；上部結構；地基基礎；共同作用關系：

1、工程概況

此工程處于肇慶市星湖大道和藍塘四路交匯地帶，建筑主要功能是：住宅；建筑面積為28823.850㎡（不包括負一層），層數：地上為32層，地下為1層。其總高98.950m。建筑工程等級為二級。

此工程抗震設防種類是丙類；其抗震設計基本地震的加速度是0.050g，其設計地震作用的分組是一組，其水平地震影響系數的最大值是0.040，特征周期是0.45s。項目屬于鋼筋混凝土構造；阻尼比是0.05，板為剛性樓板，部分彈性板；梁屬于空間桿單元；柱屬于空間桿單元；剪力墻：墻元。

2、高層建筑物的常規設計方式與其出現的問題

2.1 高層建筑物常規的設計方式

此工程高層建筑物常規的設計方式并沒有對建筑物上部結構～基礎以及地基之間的互相作用關系有充分的認識，而是把這三個看成一個個互相獨立存在的結構單元開展相應的力學分析以及數值計算。比如，在開展建筑上部結構數值計算值時沒有對建筑基礎以及建筑地基剛度問題進行綜合考慮，又或者在開展建筑物地基的沉降計算以及建筑物地基的承載力驗算之時沒有對上部結構剛度的問題進行充分考慮。

2.2 高層建筑物常規的設計方式出現的問題

采取常規的設計方式所計算出的高層建筑物其基礎內力過大但上部結構內力過小，雖然采取常用設計方式得到的數值符合靜力平衡的標準，然而建筑物上部結構～基礎以及地基間受荷前后變形的連續性并沒有很好的體現出。現實狀況是，建筑物荷載所造成的變形應力屬于通過上部結構～基礎以及地基組成的完整的一個整體來一起承擔，三個部分之間剛度應力可以對變形應力很好的制約，來達到建筑物的內力與變形平衡。

2.3基礎剛度對其的影響

基礎的內力隨著自身剛度的增加提升，而這也并不一定屬于一種壞事，在有時特意的將板做的更加厚，其目的為使上部結構的力矩分擔，特別在上部結構屬于柔性構造之時，相應基礎宜柔但不宜剛。如果上部結構屬于框架構造，而且具備高壓縮性的地基，那么基礎就宜剛。相關基礎把上部構造荷載傳遞至地基，而在這一過程當中，依靠自身剛度，若對上來調整上部構造的荷載，而對下則約束地基的變形，進而使得上部結構～基礎以及地基形成共同受力，協調變形的一個整體。整個體系的工作當中，基礎起到一個承上啟下的重要作用。

第一，基礎屬于完全柔性，荷載的傳遞不會受到基礎的限制，也沒有擴散作用，而柔性基礎將會產生和荷載分布相同而且相等大小的地基反力。

第二，基礎屬于絕對剛性，那么基礎不產生彎曲，所有點的沉降同等，基底的反力朝兩側的邊緣進行集中。

第三，基礎屬于有限剛性體，那么基礎出現一定程度上的撓曲，而地基土也出現相應的變形現象。實際上反力分布的曲線形狀由基礎和地基的對應剛度來決定。越大的基礎剛度，就存在越小的地基剛度，則基底得反力朝邊緣進行集中的程度更高。

3、上部結構以及地基基礎的共同作用有限元研究分析

3.1 有限元法的簡述

矩陣分析法最主要是把一個完整構造看作是一個集合體，此集合體依靠有限個的力學小單元互相連接組成，我們能夠將表征單元力學特點的剛度矩陣來形象地比作是高層建筑物結構中的一塊塊石頭，把它們集成一個整體就能夠提供出此“高層建筑”當中力學的特征。如果力學小單元與問題收斂標準相符，那么在力學小單元尺寸漸漸縮小過程當中，對于求解區域之內的力學小單元的數量就會逐步增多，從而不斷優化了解的近似性，最后就能使近似解與精確解無限接近。

有限元分析方法有著很多優點存在，比如：第一，了解概念沒有較高的難度。有限元分析法不但可以建立起依靠嚴格數學分析作基礎的理論模型，而且能夠依靠較為生動形象的物理概念充分理解掌握。另外，有限元分析法有著極為廣泛性的適用范圍，通常來說，一切的場問題以及連續介質的求解都能夠采取有限元分析法。還有，有限元分析法可以充分借助于計算機優良的邏輯計算能力，這是由于有限元分析法表達屬于矩陣形式，因此在計算機的編程方面存在一定程度的優勢。

3.2 有限元法的基本程序步驟

上圖為局部的結構以及地基圖，對于此高層建筑需要采用有限元法對其進行計算。有限元法分析問題的程序步驟：第一，構造離散化。離散化指的是把要進行分析的構造分割成為有限個的單元體，而且在單元體之間設置上節點，讓鄰近單元的相應參數有著一定程度的連續性，利用若干個單元構成的集合體對原結構進行模擬。第二，位移插值函數的選擇。為了可以利用節點的位移對單元體的應力、應變以及位移進行表示，在連續體問題進行分析之時，對于單元當中位移的分布一定要做出一定程度的假設，假定位移為坐標的一種簡單函數。然后，對單元力學特性進行分析。再利用變分原理、本構方程以及幾何方程最終獲得單位剛度矩陣。

結束語：

此文簡單分析總結了高層建筑物傳統設計方式與其存在的缺陷與問題，也強調了對上部結構～基礎以及地基共同作用疏忽的危害性，同時還給出了現今廣泛用在高層建筑上部結構～地基以及基礎共同作用的方式，即為有限元分析方法，分析討論了此方法的特征以及計算的步驟，而且介紹基于有限元的一款軟件，希望可以給相關人士提供較好的借鑒以及參考。

參考文獻：

[1] 尹及，李魏西，王志剛. 某一高層長短樁地基-基礎以及上部結構共同作用的分析【J】. 地下空間與工程學報，2014，（S2）：125-126.