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（1）上部结构与地基基础的共同作用【摘要】上部结构与地基、基础是紧密联系的一个整体，在工程设计中，设计人员经常忽略地基、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。文章主要探讨高层结构与地基基础相互作用情况，提出在设计中考虑地基、基础与上部结构共同作用的重要性。【关键词】上部结构；高层结构；地基；基础；相互作用在目前一般结构设计中，由于计算手段的限制，仍然采用常规设计方法处理静力荷载，即把上部结构、基础与地基三者作为彼此离散的独立结构单元进行力学分析。实际上，建筑物都是由上部结构、基础与地基土构成的整体，各部分之间相互影响、共同作用。例如，在高层建筑结构的地震动力反应的研究、实验或设计计算方面，均认为结构的基础落在刚性地基上，忽略了地基土参与上部结构共同工作的动力地震反应，这将造成动力特性计算的不准确和地震反应结果不符实际；实际上，共同作用对结构的影响是复杂的，并非都是有利的影响，随着结构层数的增加，这种影响更加明显。因此，研究结构、基础与地基土的共同作用显得十分必要。1分析（1）在高层结构抗震分析中，为了简化计算，总作如下的假定：①建筑物建造在刚性地基上，也就是地基是不变形的，建筑物的震动性能完全取决于上部结构（事实上，除了基岩外，其他各种土质的地基都有不同程度的变形）。②把邻近建筑的自由场地的地震记录作为建筑物底部的输入地震。但是，国内外多次大地震的实测记录表明：在建筑物地下室记录到的加速度幅值总是比在邻近建筑物的自由地面上记录到的要小。这主要是由于上部结构的振动反馈给地基，改变了地基运动的频谱组成和幅值；同时，也有相当部分的地震能量通过地基变形逸散，从而减少了要在上部结构振动过程中耗散的地震能量。由此可见，结构物与支承它的地基之间存在着相互作用。这种相互作用表现在2个方面：①结构对地基的反馈作用在于使地面运动频谱组成中接近建筑物自振频率的分量得以加强。据观测资料分析，结构基础处的地面运动加速度峰值与其邻近自由地表相比，可能削减26％～64％。②地基变形对结构的影响，改变了结构的振动特性，使结构的振动周期变长，阻尼和位移增大。因此，它将减少结构所受的地震作用和增加位移。根据大量的分析计算结果发现：考虑这种互相作用将使结构水平地震作用减少，当上部结构的刚度较大，而地基刚度相对较少时更为显著；只有当地基刚度比上部结构大得多时，这种相互作用才趋于消失。（2）高层建筑较多使用箱形基础，其特点突显为整体性能好，自身刚度大，具有较强的地基应力补偿作用，使其被广泛用作高层建筑基础。上部结构与基础共同作用，增加了基础的刚度，可以对基础的变形起制约作用。在箱形基础的结构设计中，地基土反力分布的形状决定了箱形基础结构内力差别，甚至会出现相反符号的数值，所以对基底反力的研究极为重要。基底反力计算可用链杆法或基床系数计算。但实测结果表明，基底反力的分布规律与地基土的性质、基础的平面形状及尺寸、建筑物荷载的分布及大小、相邻建筑物的相互影响、箱基与上部结构的刚度及形成过程、地下水浮力的影响，以及施工条件等因素有关。对于软土地基，基底纵向反力曲线一般呈马鞍形状，中间平缓，反力峰值在基础端部（1/8～1/9）L处，最大值与平均值之比为1.06～1.34。因为基底纵向反力不均匀，所以在高层建筑的设计中基础的变形和位移不能忽略。地基变形的大小直接与上部结构的刚度有关，如果人为地把基础和上部结构分开计算，既不经济，也不安全，因此要对建筑物进行整体的综合考虑，即应当考虑上部结构与地基基础的共同作用。上部结构的刚度是水平刚度、竖向刚度和搞弯刚度的综合，不但对基础产生影响，对地基反力的影响也很大，共同作用分析将使上部结构、基础和地基地内力和位移等方面与常规法相比均有显著的变化。（3）高层建筑上部结构与地基基础共同作用常表现为：①上部结构刚度贡献的有限性。上部结构的刚度是水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。一般来说，随着层数的增加，水平刚度和抗弯刚度只是最初几层增加较快，然后迅速减缓，趋于某一个定值；而竖向刚度则随层数增加以某种规律增加，同样达到某一层时，趋于稳定，所不同的是比前两者多几层。②结构刚度对共同作用的影响。结构刚度与施工条件（包括施工速度和施工方式）具有密切关系，即对结构刚度要考虑刚度的形成方式。刚度形成有3种形式：整个结构的刚度和荷载是一次同时形成的称为“一次形成”；本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“逐层形成”；本层结构的刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。各种刚度形成方式的结构刚度贡献也有所不同。③箱基底板钢筋应力计算单元的变化。箱基和上部结构是根据结构在地面上下的位置人为划分的，事实上它们是一个整体。在高层建筑箱形基础底版设计中，实测结果表明，在进行箱基底钢筋应力计算时，计算单元是变化的。④地基模型对共同作用的影响。当地基采用线弹性模型时，随着结构刚度的增加，基底反力不断向边、端部集中，基底边缘发生过大的反力是不可避免的。按此地基反力算得基础中点弯矩将比实测地基反力大得多。当地基采用非线性模型时，地基反力的集中现象就有明显的改善。当采用弹塑性模型时，即使是对于刚性基础，边缘地基反力仍比较缓和，并且与实测结果比较接近。（4）在《高层建筑上部结构与基础和地基共同作用研究》中提到：①在上部结构刚度与地基条件不变的情况下，基础内力随其刚度的增大而增大，相对挠曲则随之减少；相反，上部结构中的次应力却随基础刚度减小而明显增大。因为基础沉降差（亦即相对挠曲）增加，必然在上部结构中引起更大的次应力。从减少基础内力出发，宜减小基础刚度；就减小上部结构次应力而言，宜增加基础刚度。因此，基础方案应视结构类型作综合考虑。②在地基、基础和荷载条件不变的情况下，增加上部结构的刚度会减少基础的相对挠曲和内力，但同时导致上部结构自身内力增加，也就是说，上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应注意的是，上部结构的刚度贡献并不是无限的。③地基刚度的影响。当地基变得软弱(主要反映在变形模量或基床系数减小)时，基础内力和相对挠曲增加；相反，当地基刚度增加至相当大的程度时，上部结构的刚度对基础内力没有影响，因为这时沉降（即同时不均匀沉降）已很小，不需要上部结构来减少不__均匀沉降。当然，这时上部结构的次应力也可忽略。由此可知，考虑共同作用的分析，对于软弱地基上的结构物设计要比坚硬地基上的结构物设计具有更重要的意义。2结论（1）基础受到上部结构的影响是不容忽视的问题，而具体应该如何考虑和应用到实践工程中，还需我们作进一步讨论。上部结构刚度贡献是有限的，上部结构的刚度是水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。一般来说，随着层数的增加，水平刚度和抗弯刚度只是最初几层增加较快，然后迅速减缓，趋于某一个定值；而竖向刚度则随层数增加以某种规律增加，同样达到某一层时，趋于稳定，所不同的是比前两者多几层而已。（2）结构刚度对共同作用的影响。结构刚度与施工条件（包括施工速度和施工方式）具有密切关系，即结构刚度要考虑刚度的形成方式。刚度形成有3种形式：整个结构的刚度和荷载是一次同时形成的称为“一次形成”；本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“逐层形成”；本层结构的刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。各种刚度形成方式的结构刚度贡献也有所不同。（3）箱基底板钢筋应力计算单元的变化。箱基和上部结构是根据结构在地面上下的位置人为划分的，事实上它们是一个整体。在高层建筑箱形基础底版设计中，实测结果表明，在进行箱基底钢筋应力计算时，计算单元是变化的。（4）地基模型对共同作用的影响。当地基采用线弹性模型时，随着结构刚度的增加，基底反力不断向边、端部集中，基底边缘发生过大的反力是不可避免的。按此地基反力算得基础中点弯矩将比实测地基反力大得多。当地基采用非线性模型时，地基反力的集中现象就有明显的改善。当采用弹塑性模型时，即使是对于刚性基础，边缘地基反力仍比较缓和，并且与实测结果比较接近参考文献上部结构与地基基础的共同作用梁自良