上部结构+基础+地基共同作用

近几十年来,随着科学技术的发展,上部结构一基础一地基共同作用分析的研究己经越来越多。它的实际应用受到了前所未有的关注和重视,学者们普遍认为进行土与结构的共同作用研究对于正确研究结构体系的受力性能、优化结构设计具有重要意义。结构的共同作用分析,虽受到众多研究者的关注,并且也取得了一些成就,但由于这种共同作用分析需要研究的问题很多,一些理论的研究还处于不成熟阶段。研究上部结构一基础一地基的共同作用是结构理论发展的需要。1、高层建筑的结构体系及分类人类的生存和发展离不开衣、食、住、行,住房作为人类的栖身之地,其重要性不言而喻。随着科学技术的发展,我们的住处由低矮平房发展到今天的摩天大厦。不管是低层建筑还是高层建筑,它们都是由三部份组成:上部结构、基础和地基。这三个部分相互作用,相互联系,构成一个有机的整体。三个部分各自的形式多种多样,构成了今天形式各异的建筑结构体系。1.1上部结构高层建筑上部结构形式多种多样。按材料可分为:石结构、木结构、砖结构、混凝士结构、钢结构。现有高层建筑主要是钢结构和混凝土结构。混凝土结构常用体系可分为:（1）框架结构体系。框架结构是由水平横梁和竖柱通过刚性节点连接在一起而形成矩形网格的竖向平面形式或空间网格结构形式,皆为杆系结构。框架结构的优点是建筑平面布置灵活,可做成需要较大空间的会议室、餐厅、办公室及工业车间、实验室等,加隔墙后,也可做成小房间。但框架结构的侧向刚度较小,水平位移大,这是它的主要缺点,并因此限制了框架结构的建筑高度一般不宜超过60米。在抗震设防烈度较高的地区,高度更加受到限制。（2）剪力墙结构体系。剪力墙结构主要是用于承担横向水平力的实体墙结构。剪力墙体系可以是直接竖立在基础上,也可为了适应下部大空间的需要而由框架支承,形成框支剪力墙。剪力墙截面较大,且整幢建筑物的剪力墙之间互相现浇予以连接,整体性好,有很大的抗拉能力,可建造较高的房屋。由于剪力墙间距受楼板构件跨度的限制,所以剪力墙结构体系适于建造住宅、旅馆这一类隔墙较多的房屋。剪力墙结构的缺点和局限性主要是剪力墙间距太小,平面布置不灵活,上部结构—基础—地基共同作用分析不适应于建造公共建筑,结构自重较大。（3）框架一剪力墙结构体系。钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系是由框架和剪力墙共同承担横向水平力的抗拉力体系,具有框架和剪力墙这两种体系的一些平面布置。在这种体系中,剪力墙担负大部分水平荷载,结构总体刚度加大,侧移减小。同时,由于框架和剪力墙协同工作,通过变形协调,使各层层间变形趋于均匀,改善了纯框架结构或纯剪力墙结构中上部和下部层间变形相差大的缺点。无论从使用上,还是从受力、变形性能上看,框架一剪力墙结构都是一种比较好的体系,这种体系兼顾了框架和剪力墙各自的优点,它适合于宾馆、办公楼、医院病房楼、科研楼、教学楼等。（4）筒体结构体系。筒体结构的外围框架由密排柱和窗裙梁形成的网格而组成,窗洞尺寸大约是墙体面积的50%,看上去像多孔的墙体一样。筒体结构的刚度是很大的,外部筒体可以单独抵抗全部水平荷载,类似于一根悬臂梁的作用,或由于增加了某种内部支撑而得到进一步加强。（5）巨型结构体系。这种体系的主要特点是布置有若干个“巨大”的竖向支承结构(组合柱、角筒体、边筒体等),并与梁式或析架式转移楼层结合,形成一种巨型框架或巨型析架的结构体系。1.2基础地基基础设计是整个建筑设计的一个重要组成部分,它对建筑物的安全和正常使用有着密切的关系。设计时必须结合工程地质条件、建筑材料及施工技术等因素,并将上部结构与地基基础综合考虑,使基础工程做到安全可靠、经济合理、技术先进和便于施工。基础按埋置深度分为浅基础和深基础。按材料可分为砖基础、毛石基础、钢筋混凝土基础、三合土基础、灰土基础等。按结构形式可分为:（1）独立基础。当上部结构荷载不大,层数不多时,一般采用独立基础。支承的上部结构形式,又可分为柱下单独基础和墙下单独基础。（2）条形基础。是指基础长度远大于其宽度的一种基础形式。条形基础是承重墙的主要形式,当上部结构荷重较大而土质较差时,可采用混凝土或钢筋混凝土建造。如地基在水平方向上压缩性不均匀,为了增加基础的整体性,减小不均匀沉降,也可做成肋式的条形基础。（3）柱下十字形条形基础梁。当地基较弱而荷载较大,为了增强基础的整体刚度,减小不均匀沉降,可在柱网下纵横两方向设置钢筋混凝土条形基础梁。（4）筏板基础。地基较弱而荷载又很大,采用条形基础梁不能满足要求或相邻基槽距离很小时,可用钢筋混凝土做成整块的筏板基础。（5）箱形基础。箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和纵横交叉的隔墙构成。底板、顶板和隔墙共同工作,具有很大的整体刚度。基础中空部分可作地下室,与实体基础相比可减小基底压力。箱形基础较适用于地基较弱、平面形状简单的高层建筑物的基础。（6）桩筏(桩箱)基础。当采用筏形基础或箱形基础还不能满足结构的承载能力和不均匀沉降时,可采用桩筏或桩箱基础,即在原筏板或箱基的基础上增加桩。除上述几种基础类型外,还有些基础如壳体基础、圆板、圆环、沉井、沉箱、地下连续墙等基础。1.3地基任何建筑物都是支承在地层上的,承受建筑物荷载的那一部分地层称为地基。通常地基由岩石或土组成,土是由固体土颗粒、水和气体组成,土中颗粒的大小、成分及它们之间的比例关系,反映出土的不同性质。在高层建筑设计中,以上三个部分相互作用,相互联系,设计者通常要根据不同的地质条件和结构形式选择上述不同的基础形式,把它们有机的结合在一起。2、上部结构一基础一地基共同作用的发展状况高层建筑的共同作用分析是随着高层建筑的大量兴建及计算机计算技术的迅速发展而产生的新的学科分枝。目前,高层建筑的共同作用问题己越来越受到工程界的重视，高层建筑中土与结构共同作用这一概念由梅耶霍夫博士提出。各种荷载作用下两类不同介质的接触问题的研究，为共同作用这一课题的发展提供了理论准备。在这一领域做出过重要成就的研究有:赫特兹于1882年研究法向荷载作用下弹性体的接触问题,计算并用试验验证了在接触面上的应力分布;1885年布新奈斯克在其出版的著作中第一次给出了均匀各向同性弹性半空间在一个光滑刚体作用下的变形及应力问题,但其所得解的形式不宜用于实际计算;摩顿和克罗斯于1922年研究了赫特兹的解,他们用调和函数计算了被一个光滑球体压凹的各向同性弹性半空间的应力;上部结构一基础一地基共同作用分析，1929年和1939年罗夫在布新奈斯克解的基础上导得扁平底和圆锥形刚体情况下的部分数值结果;1939年朗得勃格提出两个半无限弹性体间弹性接触的一般原理,第一次考虑了界面处摩擦的影响;此后这些理论一直在不断发展,并不断推进土与结构静力共同作用理论研究的进一步完善。1953年梅耶霍夫博士提出估算框架等效刚度的公式以考虑共同作用,在计算箱型基础、土与结构共同作用时,按箱基抗弯刚度与上部框架结构考虑柱影响的有效刚度比例来分配总弯矩。但该公式忽略了上部结构内力的重分布和框架结构的剪切变形的影响。随后,岑米斯基，格罗斯霍夫,相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。当跨入十九世纪60年代,萨玛提出一个考虑土部结构刚度,计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。随着有限元和计算机的发展,申凯维茨和张佑启应用有限元研究地基基础的共同作用,普齐米尼斯基提出了子结构的分析方法,哈达丁首次利用子结构的分析方法研究地基基础与上部结构共同作用。1972年在克里斯汀召开的高层建筑的规划与设计会议上阐述了高层建筑的上部结构与地基基础共同作用的问题。随后,从事该领域的研究人员日益增多。1977年,在印度召开了第一次“土与结构物共同作用”的国际性会议。论文集中反映该课题在当时的新水平。在以后的各届国际土力学及基础工程会议上,共同作用课题越来越引起广大学者的关注。所研究的课题,几乎涉及到所有工程问题。例如,普洛斯提出桩与地基土共同作用的弹性理论法,推动了桩土与上部结构、基础共同作用的深入研究,他在第十届国际土力学及基础工程会上作了土和结构物共同作用的总报告，详尽阐述了土与结构物共同作用的发展和前景。普莱斯等人，在1986年,首次利用共同作用的原理对一n层高层建筑桩筏基础作了设计尝试。在国内,高层建筑是随着我国社会经济的发展和科学技术的进步而发展起来的。古代时我国高层建筑的出现主要以寺庙塔楼为主,南北朝时期我国就建造了15层高40米的砖砌篙岳寺塔。近代高层建筑是从十九世纪末伴随着殖民主义的入侵而开始兴建的,主要分布在沿海一带城市,高层建筑的普遍兴起则是从二十世纪70年代后期,随着我国大规模现代化建设而出现的。对于共同作用的问题,60年代初做过一些研究工作,到了70年代,由于我国社会经济的发展和科学技术的进步,促使高层建筑的上部结构与基础、地基共同作用的研究加速发展从1974年起先后在京沪等地区对十幢高层建筑箱形基础与地基的共同作用,进行了比较全面的现场测试,在理论上作了比较系统的探索,积累了宝贵的经验和难得的数据,使我国的箱形基础设计提高到一个新的水平。共同作用分析难度大,通过理论和实践结果的分析,已得出了一些定性的结论,可用于工程实践。1981年在上海同济大学召开“高层建筑与地基基础共同作用学术交流会”展现了我国当时在该课题的研究水平。例如:上海同济大学张问清课题组首先提出了扩大子结构法计算高层结构刚度,北京张国霞课题组、建筑设计研究院何颐华课题组、北京工业大学叶于政课题组相继对高层建筑的上部结构与地基基础的共同作用作了大量的理论和实践的研究。1982年、1986年、1990年我国第一、二、三届岩土力学解析与数值方法会议和1983年、1987年、1991年我国第四、五、六届土力学及基础工程学术会议上,均设有共同作用专题组进行讨论。特别是在1993年召开了第一届结构与介质相互作用学术会议,使共同作用课题不但在岩土工程中得到发展,而且应用到其他学科中去。1985年董建国、路佳等对共同作用原理在高层建筑地基、基础中的应用作了首次尝试。随着建筑物越造越高,高层建筑与地基基础(包括箱、筏、桩)的共同作用研究也得到深入开展。赵锡宏等著的《上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论》反映了80年代后期该课题的理论和实践成果。1989年杨敏对上部结构与桩筏基础的共同作用作了深入的理论与试验研究,并在其后的发展中形成数值分析软件。1991年黄绍铭等人应用上部结构与地基基础共同作用理论对桩基基础进行研究,在减少沉降桩及疏桩工程的设计中取得较好的效果。上部结构与地基基础共同作用理论的不断发展,以及在实际工程中取得的成果,使这一理论逐渐进入高层建筑设计的规范规程中,1989年出版的《建筑地基基础设计规范》(GBJ7一89),强调上部结构与地基基础共同作用的理论对设计的影响。其后,在计算及深入研究方面不断进步:1997年张宝良、赵锡宏、姜洪伟提出一种改进的、能够满足筏基自由边界条件的位移模式,用以分析上部结构一基础一地基的共同作用,减少计算工作量;2000年肖宏彬、黄润德研究了地基基础与上部结构共同作用中矩阵方程的优化。现代城市中高达几百米的高层建筑到处可见。随着房屋层数的增加,荷载也增加,对基础的要求也高。我国工作技术人员成功的解决了广大地区各种地质条件下高层建筑基础工程的设计和施工问题,积累了丰富的经验,各种设计规范及施工规程的颁发表明我国在高层建筑的设计与施工方面已初步形成了整套的经验，但长期以来由于计算手段的限制,在分析建筑物的基础结构时，总是先把上部结构视为绝对刚性的,不考虑其上部结构的刚度的贡献。直到近十几年来,随着计算机与计算技术的飞速发展和人们积累了大量的建造高层建筑的经验,才使得上部结构、基础与地基三者共同作用的计算成为可能。现在高层建筑的上部结构与地基基础共同作用的设计理论是一个前沿性的课题,国内外很多的专家和学者都在进行研究,但是真正用在实际设计中的成熟理论还不多。由于共同作用课题的研究,涉及三者本身特性的结合,影响因素很多。三者互相结合成一个整体进行研究,确实相当复杂和困难,主要表现在建筑物的施工和使用期间,地基变形的变化规律,建筑物刚度的变化,它们之间的相互影响。地基的差异,建