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1、关于上部结构和地基共同作用探析 摘要:上部结构、基础与地基是紧密联系在一起的一个整体。设计中忽略了地基、基础与上部结构的相互作用,人为地把地基、基础和上部结构隔离计算,既不经济,也不安全。本文主要探讨地基、基础与上部结构相互作用情况,提出考虑地基、基础与上部结构共同作用的重要性。关键词：上部结构地基基础共同作用中图分类号：TU47文献标识码：A目前建筑结构设计把上部结构和地基基础作为两个独立系统分别思考。在建筑设计中，上部结构被看成没有刚度的散体，基础为上部结构的固定支座。由于模拟条件的多变性和计算
2、的复杂性、烦琐性等因素,建(构)筑物设计中完全考虑上部结构与地基基础共同作用的还不多,大部分设计仍选用上部结构、基础和地基分开计算和分析的方式进行。以笔者所从事的火力发电厂工程各建(构)筑物厂房结构设计来说,还没有采用过考虑上部结构与地基基础共同作用的计算分析实例,只是在地基变形计算时考虑基础刚度的影响因素。1上部结构与地基基础共同作用的基本概念7为了简化计算,在工程设计中,通常把上部结构、基础和地基三者分离开来,按照三个独立的结构体系分别进行力学计算和分析。它首先是把上部结构看成为固定支座或固定铰支
3、座,不考虑荷载作用下各柱端部的相对位移,用结构力学的方法计算在荷载作用下的柱脚内力和上部结构内力;进行基础设计时,是以求出的柱脚作用力反向作用在基础上,假定地基反力与基底压力呈直线分布,并按此假设条件计算基底反力和用结构力学的方法求解基础内力;进行地基计算时,是将基底反力反向施加于地基,按柔性荷载(不考虑基础刚度的调节作用)来验算地基承载能力和计算地基的变形。这种传统的分析与设计方法,通常称为常规设计法。这种方法虽然简便,但明显存在不合理的因素,因为它只满足了静力平衡条件,忽视了地基、基础和上部结构在
4、接触部位的变形协调条件。它的计算结果可能是:上部结构的底层梁柱和边跨梁柱实际内力要大于计算值,而基础的实际内力则要比计算值小的多;换句话说就是:常规设计的结果常使上部结构偏于不安全,基础设计偏于保守和不经济。7通常,基底反力并非呈直线(或平面)分布,它与土的类别性质、基础尺寸和刚度以及荷载大小等因素有关。在地基软弱、基础平面尺寸大、上部结构的荷载分布不均等情况下,地基的沉降和反力将受到基础和上部结构的影响,而基础和上部结构的内力和变位也将随之调整。当按常规方法计算,墙柱底端的位移、基础的挠曲和地基的沉
5、降将各不相同,三者变形不协调,且不符合实际。而且,地基不均匀沉降所引起的上部结构附加内力和基础内力变化未能在结构设计中加以考虑,因而也不安全。只有进行地基、基础和上部结构的共同作用分析,才能合理进行设计,做到既降低造价又能防止建筑物遭受损坏。实际上,上部结构、基础和地基是相互联系成整体来承担荷载而发生变形的,三部分都将按各自的刚度对变形产生相互制约的作用,从而使整个体系的内力(包括柱脚和基底反力)和变形(包括基础沉降)发生变化。上述简化的设计方法,对于良好均质地基上刚度大的基础和墙柱布置均匀、作用荷载
6、对称且大小相近的上部结构来说是可行的,它与进行上部结构、基础和地基共同作用分析的结果差别不大,能够满足结构设计可靠度的要求,并已经大量工程实践，但当地基软弱、上部结构对不均匀沉降敏感时,这种设计方法的计算结果与实际情况的差别就较大。2地基与基础的相互作用建筑物基础的沉降、内力以及基底反力的分布,除了与地基因素有关外,还受基础及上部结构的制约。为了建立地基与基础间相互作用的基本概念,这里先忽略上部结构的影响,只考虑基础本身刚度的作用,按照均质地基的条件,从柔性基础和刚性基础这两种极端情况论述地基与基础相
7、互作用的状况。柔性基础的抗弯刚度很小,它好比放在地上的柔软薄膜,可以随着地基的变形而任意弯曲。基础上任一点的荷载传递到基底时不可能向旁扩散分布,7就象直接作用在地基上一样。所以,柔性基础的基底反力分布与作用于基础上的荷载分布完全一致。如果假设地基是均质的弹性半空间体,那么就可利用相关计算公式以角点法求得柔性基础底面任意点的沉降。所得的计算结果及以往的工程实践都表明,均布荷载下柔性基础的基底沉降是中部大、边缘小。因此,缺乏刚度或刚度很小的基础,由于无力调整基底的不均匀沉降,就不可能使传至基底的荷载改变其
8、原来的分布情况。如果要使柔性基础的基底沉降趋于均匀,就得采取增大基础边缘荷载和相应减少基础中部荷载的措施,从而使基础荷载和产生的基底反力成非均匀分布的形状。刚性基础具有非常大的抗弯刚度,受荷载作用后基础不挠曲,因此,原来是平面的基础底面,沉降后仍保持平面,如基础的荷载合力通过形心,则沿基础底面的沉降应处处相同。根据上述柔性基础沉降均匀时基底反力分布不均匀的论述,可以推断出中心荷载作用下刚性基础基底反力的分布也应该是边缘大、中部小;当荷载偏心时,沉降后的基
