高層房建主體結構與地基基礎彼此影響建模研究

摘要：對一些工業與民用建筑地基基礎以及主體結構通常彼此分開進行研究分析，這種方式不能有效解決地下部分地基土層、建筑基礎及上部主體結構共同作用的實際問題，嚴重影響施工安全、結構質量和計算精度.為了保證高層建筑結構設計的安全性，降低施工成本，以河北三河欣水灣·華庭高層房建項目主體結構與地基基礎之間彼此影響作為研究背景，借助有限元軟件Abaqus建模研究，科學合理地計算出高層建筑主體結構與地基基礎之間的作用應力及相關數據.結果表明，該模型和方法能較好地模擬高層框架結構樁筏基礎在靜力荷載作用下的變形.

關鍵詞：高層建筑；主體結構；筏基；影響；建模分析

中圖分類號：TU471.15"" 文獻標志碼：A

Modeling and Analysis of Interaction betweenMain Structure and Foundation of High-rise Buildings

CHEN Jing

（Beijing Engineering Co.， Ltd. of China Railway 18th Bureau Group， Beijing 100162， China）

Abstract：When the foundation and main structure of some industrial and civil buildings are specifically designed and studied and analyzed， the foundation and the upper main structure are usually studied and analyzed separately. However， it cannot effectively solve the practical problem of the interaction of the underground foundation soil layer， the building foundation and the upper main structure， which seriously affects the construction safety， the structure quality and the calculation accuracy. In order to ensure the safety of structural design in high-rise building design and reduce the construction cost， taking the influence between the main structure and the foundation of the high-rise building project of Xinshuiwan Huating in Hebei Sanhe as the research background， using the finite element software Abaqus modeling research， the functional stress and related data between the main structure of high-rise building and the foundation are calculated scientifically and reasonably. The results show that the model and method can well simulate the deformation of pile raft foundation of high-rise frame structure under static load.

Key words：high-rise building; main structure; basics; finite element software; modeling

高層建筑地上部分的主體結構和地下部分的地基基礎不僅影響建筑整體結構穩定性和安全質量，而且其設計與施工是否科學也是關系工程項目成本的重要環節.在一些建筑常規設計過程中，把建筑物的上部主體結構視為底部固定的獨立結構展開計算，沒有考慮地基和基礎工程與上部主體結構之間的相互影響，使得設計體系和建筑實際結構的受力和變形情況存在一定出入，導致結構設計存在缺陷，從而影響整體安全，增加施工成本［1］.

為確保高層建筑安全性和經濟性，研究高層框架結構、樁筏等基礎和地基的相互影響和作用，確保高層建筑的設計科學性有重要意義.隨著計算機技術和數值計算方法的發展，Abaqus等［1］許多有限元模擬軟件應用越來越廣泛，盡管目前建筑行業對高層建筑的研究取得了一些成效，然而高層整體結構的設計方法和施工工藝仍然需要進一步完善.本文以河北三河欣水灣·華庭高層房建項目主體結構與地基基礎之間彼此影響作為研究背景，借助有限元軟件Abaqus分別構建參考節點作用和不參考節點作用兩種模型，對高層建筑主體結構和地基基礎彼此影響展開數值模擬，詳細分析高層框架結構筏基和樁基周圍土體接觸模式與荷載的關系.建模研究證明，本文方法能夠科學合理地計算出高層建筑主體結構與地基基礎之間的作用應力及相關數據，計算結果可以為類似項目提供重要參考.

1 工程應用

欣水灣·華庭項目地處河北省廊坊市燕郊鎮燕順路.該項目共有11棟住宅樓，總建筑面積約23萬㎡，其中1號、2號、5號住宅樓是保障性住宅樓，近640套，約占住宅總數的30%左右.3、5、6層高27層，1、2、4、7、8、9、10、11棟為34層.以第1棟樓為例，上部分主體結構為34層框架結構，每層平均高度為2 900 mm，結構柱截面尺寸長寬都是800 mm，梁截面寬為350 mm，高為700 mm，所有樓板厚度皆為120 mm.該項目建筑結構平面布置如圖1所示.

欣水灣·華庭項目地下基礎部分為樁－筏基礎結構，樁基比較均勻，樁基間距是3 000 mm，樁基半徑是300 mm，樁基長度是16 000 mm，筏板厚度為 1 000 mm，筏板尺寸為18 000 mm×45 000 mm，四周從邊柱中心向外挑出長度為1 500 mm.欣水灣·華庭項目整體結構和基礎澆筑的混凝土等級都是C30.樁基四周土體層大多是深灰色黏土，樁端土層大多是深橙色風化土.

2 荷載分析與樁基周圍土體接觸方式

2.1 高層框架結構荷載

自然地震作用、豎向荷載和風荷載都是高層框架結構的設計荷載必須考慮的內容.高層建筑結構分析原本需要綜合考慮上部主體結構工程—基礎工程—地基土體相互作用，內容與結構動力學、流體力學和土力學等方面關聯性強.針對高度超過40 000 mm以上的建筑物，借助振型分解反應譜方法對水平地震荷載進行計算.本文荷載設計僅僅計算豎向荷載以及地震時框架結構的受力情形.

2.2 周圍土體與樁基接觸形式

在分析地下基礎工程與地基土層相互作用時，通過構建彈塑性地下基礎工程模型，計算得出群樁基礎沉降與實測結果基本一致.屈服面受力計算公式［3］為

F=Rmcq-ptanφ-c=0，（1）

其中，內聚力用c代表，內摩擦角用φ表示；極偏角Θ以及內摩擦角φ之間的函數用Rmc表示，p為最大負荷（N），平面準則示意圖如圖2所示.

π平面形狀的表達式［4］為

Rmc=13φsinΘ+π3+13cosΘ+π3tanφ，（2）

其中，φ代表內摩擦角，Θ代表極偏角.

Mohr-Coulomb模型屈服面在π平面的形狀是不規則六邊形，進行樁基分析時，用光滑表面代替原來的六邊形，并以此當作勢能面，必須綜合考慮群樁效應的綜合作用.由于水流方向不能有效確定，尖角處的水流判斷一般是無法收斂的，因此需要借助彈性理論方法開展運算.在高層樁基和周邊土體之間設置對接觸單元，使傳遞力、約束力相互耦合.采用主從接觸算法，將高層房建筑體結構的樁基表面稱為“主控接觸面”，接觸面之間一般有法向作用和切向作用2種，其中，法向作用方式是硬接觸，且分析過程中禁止接觸分離；切向作用包括接觸面之間的相對運動以及可能存在的摩擦剪應力.

3 項目有限元模型

3.1 單元與邊界

上部梁柱是鋼筋混凝土整體模型，借助梁單元模擬形式，結合常規殼單元對地下樁基工程和筏板進行模擬，通過實體單元對樁基和周圍土體進行模擬［5］.地下樁基工程涉及周邊土層模型尺寸為54 000 mm×41 000 mm×3 000 mm，從符合計算精度及效率的要求出發，網格尺寸大小隨著樁距的降低而降低.

該項目中梁柱和樓板之間、構造柱和筏板之間、樁基和筏板之間均通過約束連接.樁基、筏板、樁基周圍土體的切向摩擦系數都是0.2.

3.2 材料參數

鋼筋混凝土構件是一種彈性工作狀態，按照復合材料的測定步驟對彈性模量進行確定.各組成部分的計算參數如表1所列.

按照該項目施工區域地下基礎周圍土層地質勘測情況，得到不同土層的重度等相關物理力學參數如表2所列.

4 非共同作用和共同作用計算

上部主體結構由梁、柱、樓板組成，下部結構由筏板基礎、樁基和樁基周圍土層組成［6-7］.將非共同作用情況和共同作用情況分別進行計算.該項目活載為1.9 kN/m3，通過模態分解反應譜法對水平地震作用進行計算.在非相互作用情況下，依次把房建項目地上部分的主體結構模型和地下部結構模型分別構建好，相互作用忽略不計.在項目地上部分主體結構中，將底柱在底部有效固定好；在項目地下部分的結構中，將筏板基礎和土層頂面設置成自由邊界.接下來，通過施加荷載產生柱底的軸力及彎矩，把計算結果運用到樁基以及四周土體模型中，從而了解下部結構的內力和變形情況.在相互作用情況下，上部主體結構與下部結構整體連接，并考慮相互作用.施加荷載后，得到內力和變形.

5 共同作用的影響分析

5.1 下部結構的影響

非共同作用和共同作用兩種情況的最大沉降量依次為21.49 mm 和12.01 mm，兩者存在較大差異. 將主體結構筏板中心位置作為原點，順著主體結構筏板長邊方向與主體結構筏板中心位置距離作為x軸線，升降量作為y軸線，主體結構筏板中部區域非共同作用時的沉降量大于共同作用時的沉降量，而筏板四周區域則與之相反，沉降變化曲線如圖3所示. 在兩種不同情況下，主體結構筏板的沉降狀況為“凹”型，即四周區域沉降幅度不大，中部區域沉降幅度較為明顯.

筏板彎矩Mx曲線如圖4所示，與主體結構筏板中心位置距離作為x軸線，筏板彎矩Mx作為y軸線.該曲線圖說明非共同作用和共同作用兩種情況下，主體結構筏板四周邊緣位置的彎矩Mx比中間區域的彎矩Mx都要小，這是由于主體結構筏板四周邊緣位置變形彎曲程度比中部區域要小的原因.

5.2 對高層主體結構的影響

研究發現，主體結構各層的總位移隨層數的增加而增大，層間最大位移達3-4倍.這是由于上部主體結構底角存在不均勻沉降情況，所以側向位移偏大.

當考慮相互作用時，主體結構中柱底部軸力降低539 kN，角柱底部軸力提高411 kN，且彼此影響隨層數的降低而升高，對底部柱底部軸力的影響最大，而對頂部柱底部軸力的影響不大.角柱軸力圖變化情況如5所示，中柱軸力變化情況如圖6所示.

6 結語

以河北三河欣水灣·華庭高層房建項目主體結構與地基基礎之間彼此影響作為研究背景，借助有限元軟件Abaqus建模研究，通過比較分析上部結構和下部結構非共同作用和共同作用兩種情況下，改變主體結構層數、筏板中心距離等因素，分析其對沉降、彎矩、軸力的影響，發現共同作用的模型更為合理，更接近實際情況.結果表明，該模型和方法能較好地模擬高層框架結構樁筏基礎在靜力荷載作用下的變形.

參考文獻：

［1］李久鵬.某超高層建筑幕墻結構與主體結構動力相互作用機理研究［J］.佳木斯大學學報（自然科學版），2016，34（4）：504-508.

［2］ 張彩陽，張蔭，樊娜，等.上部結構-筏基-土相互作用分析［J］.低溫建筑技術，2015，37（10）：41-43，53.

［3］ 鄭睦凱.淺析高層建筑主體結構設計［J］.建筑設計管理，2014，31（2）：75-77.

［4］ 張蔭，賈正義，張彩陽，等.生態復合墻結構-筏基-黃土地基共同作用分析［J］.河南科技大學學報（自然科學版），2014，35（5）：63-67，72，111.

［5］ 王向東.土建主體結構與其配套基礎設施的施工管理［J］.居舍，2021（20）：139-140.

［6］ 黃鑫，盧鑫，李仕全.珠海某超高層結構考慮地基基礎與上部結構共同作用的相關分析［J］.建筑科學，2022，38（1）：147-154.

［7］ 趙文亮，許景達，梁明，等.房屋建筑結構地基基礎工程施工控制技術探討［J］.工程建設與設計，2021（21）：52-54.

［責任編輯：李 嵐］