高層建筑筏形和箱形基礎的設計計算

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設計計算方法概述
箱形和筏形基礎的設計計算方法是與建筑工程的需要相適應的，是隨著建筑科學研究的深入而進步的。當建筑工程處于層數(shù)很少、體量很小、重量很輕的階段時，對地基基礎的要求不高，計算方法也很簡單。后來建筑物的層數(shù)增加了，重量大了，整體式的筏形和箱形基礎就相應出現(xiàn)了，因為單靠條形基礎、獨立基礎是無法滿足建筑物的承重要求了。而且人們在修建鐵路、碼頭、船塢的過程中，逐漸認識到了置于地基上的梁和板的受力特性和變形特性，并且將其逐步發(fā)展成一套“彈性地基”的理論。高層建筑出現(xiàn)以后，地基基礎的問題變得更加復雜，人們對它的研究也更加深化了。例如對地基土的力學特性和變形特性的研究，地震作用的研究。地基基礎和上部結構變形協(xié)調(diào)的研究，基礎梁、板的受力分析等等，逐一取得了豐碩的成果。隨著電子計算機的出現(xiàn)，計算技術的飛速發(fā)展，為上部結構和地基基礎共同作用課題的研究創(chuàng)造了條件，并且已經(jīng)取得了重要的進展。
時至今日，箱形和筏形基礎的設計計算方法種類繁多，在拙著《高層建筑箱形與筏形基礎的設計計算》一書有詳細介紹。此在僅作一些簡要的說明。
一、簡化計算方法
簡化計算方法最基本的特點是將由上部結構、地基和基礎三部分構成的一個完整的靜力平衡體系（圖1-2a）分割成三個部分，進行獨立求解[7]，首先假定上部結構的柱是嵌固在基礎上的(1-2b)，按結構力學的方法可以求出結構的內(nèi)力，包括底層柱的軸力、柱腳處的彎矩和剪力。然后將這些力反向作用在基礎梁或基礎板上，基礎梁或板同時承受地基反力（圖1-2c），地基反力與上部結構荷載（包括基礎自重及其懸挑部分以上的土重）保持靜力平衡，并假定其按直線分布。再按結構力學的方法求解基礎梁或板的內(nèi)力。在驗算地基承載力時，假定基底壓力按直線分布，即認為基礎是絕對剛性的。在計算地基變形時，又把基礎看作是柔性的，基底壓力是均布的（圖1-2d）。顯然，簡化計算方法的種種假定與整個結構體系的工作狀態(tài)是不符的，它僅僅滿足了總荷載與總反力的靜力平衡條件，而忽視了上部結構與基礎之間以及基礎與地基之間的變形連續(xù)條件。因而上部結構傳遞給基礎的荷載及地基反力的分布狀態(tài)都是與實際狀態(tài)有偏差的。由此也必然造成基礎內(nèi)力計算的偏差和地基計算的偏差。盡管簡化計算方法存在這些人所共知的缺點，但許多設計人員仍然樂于使用它。原因就在于它簡單方便，而且力學概念大致清楚。在實際應用中，設計人員還會根據(jù)工程實踐經(jīng)驗采取一些措施，例如調(diào)整或增大某些部位的地基反力，增加一些構造鋼筋等等。以保證基礎的安全和正常使用。
 
     圖1-2  結構系統(tǒng)簡化計算方法示意
 (a)結構系統(tǒng)簡圖；(b)上部結構；
 (c)基礎計算簡圖；(d)地基變形計算荷載圖。

    1．筏形基礎
首先將筏形基礎視為一倒置的平面樓蓋，地基反力按直線分布，作為荷載作用在平面樓蓋上。對于平板式筏基即可按多跨連續(xù)雙向板計算其內(nèi)力。對于梁板式筏基，可將地基反力按45°線劃分范圍（圖1-3），陰影部分作為傳遞到橫向肋梁上的荷載，其余部分作為傳遞到縱向肋梁上的荷載。然后按多跨連續(xù)梁分別計算縱向和橫向肋梁的內(nèi)力。這就是所謂的“倒梁法”。但是按倒梁法求出的支座反力與原柱荷載不同，二者存在一個差值。為修正這一差值，原上海市民用建筑設計院提出了“調(diào)整倒梁法”。調(diào)整的方法是將支座反力與柱荷載的差值均勻分配在該支座兩側各1/3跨度內(nèi)，作為地基反力的調(diào)整值，與原地基反力疊合成階梯狀的反力，再按此反力重新計算肋梁的內(nèi)力。經(jīng)過幾次調(diào)整，支座反力即可與原柱荷載趨于一致。