淺談上部結構與地基基礎的共同作用

丁文斌　仲敏

摘要：當前，上部結構與地基基礎共同作用的問題開始獲得工程技術人員的廣泛關注，也是重點研究的問題。盡管到目前為止，對于這一問題的研究已經獲得了一定的成果，然而其還具有可以深入的空間。上部結構、地基與基礎是具有緊密關聯的整體。假如在設計的過程中忽視了三者的相互作用，將其進行分別計算，這樣不但會耗費更多的經濟成本，而且也影響到建筑的安全性與可靠性。因此，加強對上部結構與地基基礎彼此間共同作用的研究是非常必要的。

關鍵詞：上部結構；地基基礎；共同作用

中圖分類號：TU470 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）22-0091-01

引言

在一般狀況下，在建筑結構設計過程中，往往是將地基、上部結構與基礎作為三個相互獨立的結構來進行分析的。盡管這種分析方式符合靜力平衡條件要求，然而卻忽視了三部分受荷前后的變形連續性，是存在不足的。實際上，三部分是存在緊密關聯的，都會根據各自獨有的剛度來有效制約變形現象的發生，進而使得整個體系的內力及變形發生改變。所以，科學的分析法是使三者都能充分滿足靜力平衡及變形協調的前提條件，進而充分反映出三者間的密切關聯，實現科學合理及安全經濟的目標。所以，加強對地基基礎及上部結構共同作用的研究是非常必要的。

1上部結構與地基基礎共同作用的研究發展

截止到目前為止，隨著高層建筑的日益增多以及網絡技術與計算機技術的飛速發展，也使得高層建筑與地基基礎工程作用發展成一門新型學科。在60年代初期，我國就開始對共同作用進行研究。然而到70年代，我國才真正地對高層建筑與地基基礎工程作用問題展開深入的研究。從70年代至今，在這幾十年的時間中已經形成了若干有關地基基礎的規范規定，而且也召開了許多大型的專題會議，進而使得這門新興的學科得到了更好的發展。在1985年，路佳與董建國等人率先嘗試在高層建筑地基基礎中合理應用共同作用。由此開始，共同作用的實踐應用正式拉開序幕。

2上部結構與地基基礎間共同作用的原理

地基、基礎以及上部結構是建筑物的主要組成部分（如圖1）。三者之間具有密切的關聯，其共同作用原理具體如下：

2.1地基剛度的影響。在地基變得比較柔軟時，那么基礎內力以及相對撓曲就會得到一定程度的增加。反之，在地基剛度增加到一定的數值時，上部結構的剛度則不會對基礎內力的重分布產生任何影響。這主要是由于此時不均勻沉降已經變得非常小，其無需再利用上部結構來減少不均勻沉降，因此就不會影響到基礎內力。

2.2基礎剛度的影響。基礎剛度的改變也會在很大程度上影響到上部結構內力以及基礎內力。在一般狀況下，當上部結構剛度以及地基條件保持不改變的前提下，那么隨著基礎剛度的不斷增加，基礎內力也會發生增大，相對撓曲會逐漸減小。反之，在基礎剛度發生減小的情況下，上部結構中所包含的次應力去口會發生增大的現象。

3上部結構與地基基礎共同作用的研究方法

3.1原位測試法。此方法可以將建筑的實際受力狀況充分地反映出來，我們可以借助于對測試結果的深入分析與研究，從而獲知上部結構以及地基基礎之間發生共同作用的基本原理，進而更好地認識其共同工作的特性，這樣就可以為工程設計工作的順利開展提供準確、有效的數據。

3.2理論分析法。目前，此方法在共同作用問題研究中主要包括兩種方法：（1）數值法。主要包括有限單元法以及有限差分法等。其中最早的一種數值方法即為有限差分法。其主要是將有限差分方程合理地替代邊界條件以及微分方程。如此一來，就可以把問題逐漸轉化為代數求解的方程組。然后再利用解線性方程組的方法計算出定解問題的近似解。另外，當前有限單元法是應用最為廣泛的一種分析方法。此方法在共同作用問題的分析中主要包含的方法有分塊求解法以及子結構方法等。其中對高層建筑和地基基礎共同作用研究最為科學、有效的方法即為子結構法。（2）解析法。選用結構力學法，把靜力平衡體系劃分為3部分，對每一個部分進行分別求解。選用彈性力學中的解答來完成對高層建筑和地基基礎共同作用的分析。

4上部結構與地基基礎共同作用分析的結論

4.1地基模型的影響。在選用線彈性模型時，在結構剛度發生增大的時候，基底的反力也會逐漸向邊、端部進行集中。所以，基底邊緣一定會出現過大的反力。而以此計算所獲得的基礎中點彎矩則會要遠遠大于實測地基的反力。但是在地基選擇使用非線性模型的時候，那么就會顯著地緩解地基反力的集中問題。當選擇使用彈塑性模型時候，就算是剛性基礎，地基的邊緣反力也是非常緩和的，同時也是非常接近于實測結果。

4.2結構剛度的影響。在一般狀況下，施工條件以及結構剛度之間存在著非常密切的關聯，也就是要對剛度的形成方式進行充分分析。目前，剛度的形成主要包括以下三種形式：（1）一次形成。即為整個結構的剛度以及荷載是在同一時間一次性形成的；（2）逐層形成。即為本層的結構剛度以及本層的荷載是在同一時間共同形成的；

4.3基礎底板鋼筋應力計算單元的改變。對于基礎以及上部結構而言，其主要是人們通過結構在地面上下的位置進行劃分的。但是實際上，其是一個共同的整體。通過大量的實踐檢測結果發現，在計算基礎底板鋼筋應力的時候，計算單元并非是一成不變的，而是發生變化的。

總之，當前國內外對于上部結構與地基基礎工程作用的研究已經日益深入，其作為一門學科的發展也越來越成熟。