復雜情況下建筑底盤框筏基礎反力及變形特征研究

（山東外事職業大學，山東威海市，264504）張鑫強 張玉程 梁川紅

框筏基礎結構的高層建筑設計方法一般是均勻布樁形成的框筏基礎，這樣的樁筏基礎受均面荷載作用時，由于土與樁的相互作用，導致地基或群樁的豎向支承剛度發生內弱外強的變化，從而沉降變形出現內大外小的蝶形分布，基礎反力出現內小外大的馬鞍形分布。由于約束狀態下的非均勻變形，受作用體也將產生附加應力，基礎的蝶形沉降將引起基礎及上部結構產生附加應力，從而導致基礎的整體彎矩增大。具有多元化功能的建筑結構，需要在設計中集成在一個相同的底盤結構上，并采用多樣化的形式進行連接。這一類建筑結構由于底盤能夠為其提供更大的地下空間，因此能夠為建筑創造更加寬松的空間，并在此基礎上，降低建筑的空間占地面積。具備空間底盤的建筑通常包含二層至四層的地下空間結構，其埋設均超過10m，為了能夠提高建筑底部抗壓能力，需要增加框筏基礎結構，以此代替傳統大剛度箱基[1]。但由于這一結構在實際應用中仍然處于起步階段，對于該結構的應用是否能夠實現對不均勻沉降的調節，是否具備能夠承受彎曲變形的能力，都有待進一步驗證研究[2]。基于此，本文從基礎反力和變形特征兩個方面，針對復雜情況下建筑底盤框筏的應用性能進行研究。

1 資料與方法

1.1 工程概況

將高層建筑、基礎和地基三者分割開來的設計方法已經難以適應實際要求，只有利用高層建筑與地基基礎共同作用理論進行計算才能得到合理的結果。為實現對建筑底盤框筏應用性能的探究，選擇以某地區某一大廈項目作為依托，該建筑總面積約為20萬m2，其中包含了地下部分建筑面積5萬m2。該建筑包含4棟不同功能屬性的建筑組成，地下包含3～4層，各棟建筑均通過底盤連接，構成了一個完整的底盤多建筑單體聯體結構[3]。同時，該建筑的基礎形式以框筏作為基礎，平面形狀為矩形，其長度為256.3m，寬度為52.2m，框筏柱的尺寸均未800mm×800mm，采用混凝土強度等級為C35的材料，框筏基礎結構埋深約為16m。由于在該建筑上完成本次實驗的難度較大，因此在本文實驗中針對該建筑內基本結構，進行等比例縮放，并針對其底盤框筏結構進行模擬[4]。由于建筑在實際施工中其整體結構通常與設計圖紙中給出的數值存在一定差異，因此在模擬過程中引入分步加載的方式解決這一部分差異問題，從而確保最終得到的實驗結果能夠充分代表該建筑結構。同時，通過上述處理不僅能夠實現對該建筑底盤框筏基礎力學性能的分析，同時還能夠實現對不同高度建筑相互之間的影響。

1.2 實驗內容

在明確上述工程基本概況后，對實驗中所需模型進行構建，并將其作為實驗模型。考慮變形協調關系，對比常規設計分析方法，采用彈塑性三維有限元模型分析共同作用對上部結構、基礎、地基的內力及變形影響。通過ANSYS程序建立彈塑性共同作用模型，研究上部結構-地基-基礎共同作用機理，分析上部結構剛度，筏板基礎的混凝土強度、厚度、地基土性質等對上部結構、地基、基礎受力機理的影響。實驗模型框筏板厚度為4000mm，外挑為4000mm，框筏上兩個相鄰柱結構的距離為1000mm×1000mm，框筏梁尺寸為500mm×650mm。構建的實驗模型與原建筑的幾何尺寸相似比為1：10.5，由于在對其荷載進行設定時，采用了均布荷載，因此其相似比的常數為1。圖1為建筑結構模型立面圖。

圖1 建筑結構模型立面圖

由于實際的建筑結構中建筑與地下室荷載相差較大，因此，在實驗過程中只向主樓模型施加荷載，以此能夠確保最終的結果趨于安全。在實驗過程中，模擬施加的荷載為15kN/m2。在模型的框筏結構上隨機選取三個區域作為研究對象，將其編號為I、II和III。

在完成上述對建筑結構模型的構建后，先對底盤框筏所在的基坑進行輕便觸探實驗，以此確保基坑內土質為均勻分布，并獲取不同土層類型中的土樣，對其進行土工實驗，并將得出的土體力學性能指標進行記錄，并繪制成表1。

表1 實驗研究建筑底盤框筏所在基坑土體力學特征

在明確上述土體的力學特征參數后，利用加載儀器對上述選擇的三個區域施加壓力，壓力可通過電動油泵進行施加[5]。在對框筏上三個區域的沉降進行測量時，選用電子位移計進行測定，將電子位移計安裝在框筏結構中每一根柱子的根部[6]。為實現對其基礎反力的測定，引入鋼弦式壓力盒，并將其同樣布置在框筏結構的底部位置上。

1.3 建筑底盤框筏加載方式設計

利用上述選擇的電動油泵向底盤框筏結構上的三個區域分別采取不同方式施壓。其中I區域均勻設置四臺1000KN壓力；II區域均勻設置兩臺2000KN壓力；III區域均勻布置四臺1000KN壓力。各個區域上施加的總壓力相同。在實驗過程中，按照圖2所示的內容完成對三個區域施加壓力。

圖2 建筑底盤框筏加載方式

按照圖2所示的內容，在第一階段，針對區域I、區域II和區域III同時施加三級壓力；在第二階段，針對區域I、區域II和區域III分布進行施壓，先對區域I施加壓力到7級，此時區域II和區域III的荷載不發生改變，再對區域II施加壓力到7級，此時區域I和區域III的荷載不發生改變，最后將區域III的荷載增加到與區域I和區域II相同的壓力[7]。

2 實驗結果記錄

2.1 底盤框筏基礎反力結果記錄

根據上述論述，嚴格按照建筑底盤框筏加載方式進行施壓，并在這一過程中，對區域I、區域II和區域III上關鍵軸線結構的基礎反力進行記錄，并將記錄數據繪制成表2所示。

從表2中記錄的數據可以看出，三個分區在不同荷載條件下，在第二個單元的基礎反力均為0，說明在這一位置上并沒有產生基礎反力，因此不會受到荷載等級變化的影響。隨后，各個分區上不同荷載條件下，基礎反力均呈現出先增加后減少的變化趨勢。

2.2 底盤框筏變形特征結果記錄

在完成對底盤框筏基礎反力變化情況相關數據的記錄后，再針對底盤框筏的變形特征結果進行記錄，從東西方向對底盤框筏關鍵軸線的變形情況進行記錄，針對三個區域上不同單元的變形量進行測定，并將得出的結果記錄入表3。

表3 不同荷載下建筑底盤框筏變形量變化情況記錄表（單位：mm）

從表3中記錄的數據可以看出，在區域II中，2單元出現了變形量為負的情況，除此之外，其余各個區域中四個單元的變化情況基本呈現出相同的曲線變化。

3 實驗結果討論

3.1 底盤框筏基礎反力分析

通過結合表2及實驗得出，在不同荷載條件下，建筑底盤框筏的基礎反力呈現出均勻的分布，并且在框筏左右兩側位置上，基底的反力衰減均為零。

3.2 底盤框筏變形特征分析

結合表3得出，在東西方向上底盤框筏關鍵軸線的變形呈現出正向撓曲形式，底牌框筏的變形并不會受到上部結構斷面的影響，不會出現不連續的沉降變形情況。在區域II和區域III得出的變形量記錄數據可以看出，區域II地基的變形衰減中出現了負值，而區域III的地基沉降變形量逐漸擴散到了允許范圍以外，說明這一區域受到了建筑主樓結構的共同作用，形成了一個共同影響區域，形成了有效荷載面積影響范圍。

4 結語

綜上所述，針對某一建筑的底盤框筏從基礎反力和變形特征兩方面進行了研究，通過研究得出，框筏基礎變形量的變化具有一定連續性特點，因此采用框筏結構進行施工，地基不會出現沉降不均勻的問題。同時，通過對不同條件下底盤框筏基礎反力測定得出，反力的分布也為均勻形式，從中心向四周逐漸衰減，并且在共同影響范圍內，會出現基礎反力疊加的情況。