高層建筑結構樁基礎的簡化分析研究

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【摘要】針對高層建筑結構樁基礎受力不明確、影響因素多、研究難度大的現(xiàn)狀，本論文對高層建筑結構樁基礎的設計進行了簡化研究，首先分析了當前高層建筑結構樁基礎的設計與應用現(xiàn)狀，在此基礎上重點借助于有限元計算方法，對結構樁基礎進行了簡化設計，有助于進一步提高高層建筑結構樁基礎的簡化設計和應用水平。

　　【關鍵詞】高層建筑；建筑工程；結構樁基礎　 　　1 引言 　　隨著高層建筑的興起和持續(xù)發(fā)展，在高層建筑基礎研究領域，隨著城 市化程度不斷進步，經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑越來越多。目前，超高層建筑基礎設計在很多方面還不夠完善，可謂是理論研究遠遠落后于工程實踐。而針對超高層建筑基礎設計工作的需要來看，對一些問題還需要深入的研究。工程現(xiàn)場實測和模型試驗均已證明結構樁基礎的地基反力，既不是直線型分布，也不符合彈性地基理論的計算結果。為此有必要開展對高層建筑結構樁基礎的設計研究。 　　近來，雖然對結構樁基礎進行了理論研究，但是對其工作機理認識還不夠深刻，對樁土分擔荷載，及其各部分的應力計算還需要深入分析研究。此外，對上部結構、基礎與地基的共同作用問題的研究尚未進入工程實用階段，特別是地震作用下的共同作用分析，現(xiàn)有的工程規(guī)范涉及很少。本論文重點對高層建筑結構樁基礎的設計進行簡化分析設計，以期從中能夠找到合理可靠的簡化結構樁基礎設計方法，并以此和廣大同行分享。 　　2 高層建筑結構樁基礎設計與工程應用現(xiàn)狀 　　目前實際工程中，很多樁基工程試樁設計與靜載試驗結果不相符。靜載試驗結果達不到設計要求，設計師通過調(diào)整設計參數(shù)，修改加密樁基設計圖予以補救，這樣靜載試驗結果超過設計要求太多，雖然安全性更易得到保證，但太保守的設計降低了經(jīng)濟效益。在建筑業(yè)這種情況是要進行優(yōu)化的，超過設計太多需要進行二次試樁，項目建設周期也隨之延長。如果設計師等靜載試驗結果出來再進行樁基施工圖的設計，既影響整個設計的進度，也滿足不了建設的需要。解決單樁靜載試驗結果與試樁設計偏差過大的問題，也就是怎樣使試樁設計盡量接近單樁靜載試驗結果，又簡便又精確地對單樁靜載試驗結果進行預估計是值得研究的。 　　在樁基工程實踐中，應用最廣的是在豎向荷載作用下的樁，豎向荷載作用下的樁土相互作用問題對樁基的設計和施工影響很大，因此，國內(nèi)外的大量的研究工作者在這一領域里做了很多工作，提出了很多計算方法。但關于樁群向鄰近土傳遞應力的機理，至今還有許多方面尚未弄清。 　　多年來，許多學者致力于“樁基礎”理論和試驗研究，得出了了眾多的成果。但是由于問題本身的復雜性，樁基礎受承臺剛度、樁基承臺連接條件、樁基體系傳力機制及單樁和群樁工作形態(tài)差別等的影響，使其與一般的土一結構相互作用的問題大不相同，是巖土工程界目前尚未很好解決的難題。遠未形成一套系統(tǒng)的理論和簡便實際的計算方法。特別是在工程應用上，所進行的工作相對較少，有必要進行更加系統(tǒng)地分析研究。 　　3 高層建筑結構樁基礎簡化設計分析 　　高層建筑結構作用在基礎上的荷載大，基礎埋置深，一般設置地下室并常常有作為人防工程或地下停車庫等要求，因此，基礎工程的材料用量多、施工復雜且施工周期長，其技術經(jīng)濟指標對建筑總造價有很大影響。高層建筑的基礎除極少數(shù)可直接建于堅硬的巖石上以外，一般采用鋼筋混凝土片筏式基礎、箱形基礎或樁基礎，而樁基礎是高層建筑最常用的基礎形式。樁基礎具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降量小且均勻等優(yōu)點，還能承受一定的水平力和上拔力，承受動荷載的性能也較好。 　　就高層建筑物的上下部相互作用問題來講，傳統(tǒng)的設計計算理論所采用的許多假定使其在不同程度上回避了樁-土-結構間相互作用的全面分析。如：地基反力系數(shù)法把土體對樁的反力作用等復雜因素通過Winker假定，簡化成單純的反力系數(shù)作用于樁上，傳統(tǒng)設計計算理論本質上都未徹底解決樁-土相互作用力學機制的分析問題。對于高層建筑物的相互作用分析，必須將結構-樁-土體系作為一個整體來考慮。顯然用傳統(tǒng)的設計計算理論來更貼切地分析這一實際問題還是有些困難的。就目前的分析手段來講，有限元法是個前景較好的方法，除了有限元數(shù)值模型能夠充分地考慮諸如：土體材料性質的空間差異性、力學響應的非線性，復雜的幾何邊界條件等，而且還能夠通過適當?shù)臄?shù)值技術模擬工程施工過程，以及由此而帶來的一些施工力學問題等各類復雜的耦合因素外，其思想和實現(xiàn)過程也都較為簡單和統(tǒng)一，因此適于編程和電算，極大的簡化了樁結構基礎的計算設計工作量。 　　在設計方法上進行簡化考慮，由于結構分析的有限元法(特別是子結構分析技術)的進展和計算手段的極大改善，在力求從理論上回答工程實踐中提出的各種問題的艱苦努力過程中，逐步發(fā)展到了這個階段。其主要特點是統(tǒng)一考慮上部結構、基礎和地基三者的共同作用，以離散形式的特征函數(shù)——地基剛度矩陣[Ks]表征地基土支承體系的剛度貢獻，運用空間子結構方法，將上部結構的剛度與荷載逐層向下凝聚到基礎子結構的上部邊界，形成全部上部結構的等效邊界剛度矩陣[場]和等效邊界荷載向量{SB}。將它們疊加到基礎子結構上去，并根據(jù)基礎與地基按觸點靜力平衡和位移協(xié)調(diào)條件，就可得到考慮三者共同作用的基本方程(并可反映根鄰建筑的影響)：　　 　　上式中： 　　[K]——基礎子結構剛度矩陣； 　　[KB]——上部子結構的邊界剛度矩陣； 　　[ ]——地基剛度矩陣； 　　{U}——基礎子結構的位移列向量； 　　{Q}——基礎子結構的荷載列向量； 　　{SB}—上部子結構的邊界荷載向量； 　　{ }相鄰建筑引起的沉降列向量。 　　求解該方程后得到基礎子結構的節(jié)點位移{U}，再從下向上逐層進行子結構回代即可得到上部結構各節(jié)點的位移，從而進一步給出所需節(jié)點處的內(nèi)力。除采用子結構法外，對上部結構的剛度貢獻先后作過許多簡化考慮，提出不少簡單可行的分析途徑，它們與子結構有限元法相輔相成，例如彈性桿法、有效工作剛度法、加權殘數(shù)法等，不過一般都將上部結構處理為平面結構。 　　4 結語 　　高層建筑已經(jīng)成為當前建筑領域的發(fā)展趨勢和發(fā)展潮流，如何面對高層建筑下的結構樁基礎的受力分析和結構設計，是當前建筑工程技術人員重點解決的問題之一。本論文結合高層建筑的結構樁基礎的受力特點，利用有限元的計算方法，對結構樁基礎的設計計算進行了簡化分析設計，對于進一步提高高層建筑結構樁基礎的簡化設計，實現(xiàn)有限元技術下的結構樁基礎的受力計算應用，具有一定的指導意義，本論文的簡化計算方法是值得推廣的。 　　參考文獻： 　　[1]趙西安.我國高層建筑的最近發(fā)展[M].史佩棟等.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000. 　　[2]吳永紅,鄭剛,閏澎旺.多支盤鉆孔灌注樁基礎沉降計算理論與方法[J].巖土工程學報,2000, 22(5):528-531. 　　[3]馮國棟,劉祖德,黃紹鏗.群樁基礎的荷載傳遞參數(shù)值確定[C].第五屆土力學及基礎工程學術會議論文選集,中國建筑出版社,1990.