高层建筑结构桩基础的简化分析研究

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【摘要】针对高层建筑结构桩基础受力不明确、影响因素多、研究难度大的现状，本论文对高层建筑结构桩基础的设计进行了简化研究，首先分析了当前高层建筑结构桩基础的设计与应用现状，在此基础上重点借助于有限元计算方法，对结构桩基础进行了简化设计，有助于进一步提高高层建筑结构桩基础的简化设计和应用水平。

　　【关键词】高层建筑；建筑工程；结构桩基础　 　　1 引言 　　随着高层建筑的兴起和持续发展，在高层建筑基础研究领域，随着城 市化程度不断进步，经济的发展，高层建筑越来越多。目前，超高层建筑基础设计在很多方面还不够完善，可谓是理论研究远远落后于工程实践。而针对超高层建筑基础设计工作的需要来看，对一些问题还需要深入的研究。工程现场实测和模型试验均已证明结构桩基础的地基反力，既不是直线型分布，也不符合弹性地基理论的计算结果。为此有必要开展对高层建筑结构桩基础的设计研究。 　　近来，虽然对结构桩基础进行了理论研究，但是对其工作机理认识还不够深刻，对桩土分担荷载，及其各部分的应力计算还需要深入分析研究。此外，对上部结构、基础与地基的共同作用问题的研究尚未进入工程实用阶段，特别是地震作用下的共同作用分析，现有的工程规范涉及很少。本论文重点对高层建筑结构桩基础的设计进行简化分析设计，以期从中能够找到合理可靠的简化结构桩基础设计方法，并以此和广大同行分享。 　　2 高层建筑结构桩基础设计与工程应用现状 　　目前实际工程中，很多桩基工程试桩设计与静载试验结果不相符。静载试验结果达不到设计要求，设计师通过调整设计参数，修改加密桩基设计图予以补救，这样静载试验结果超过设计要求太多，虽然安全性更易得到保证，但太保守的设计降低了经济效益。在建筑业这种情况是要进行优化的，超过设计太多需要进行二次试桩，项目建设周期也随之延长。如果设计师等静载试验结果出来再进行桩基施工图的设计，既影响整个设计的进度，也满足不了建设的需要。解决单桩静载试验结果与试桩设计偏差过大的问题，也就是怎样使试桩设计尽量接近单桩静载试验结果，又简便又精确地对单桩静载试验结果进行预估计是值得研究的。 　　在桩基工程实践中，应用最广的是在竖向荷载作用下的桩，竖向荷载作用下的桩土相互作用问题对桩基的设计和施工影响很大，因此，国内外的大量的研究工作者在这一领域里做了很多工作，提出了很多计算方法。但关于桩群向邻近土传递应力的机理，至今还有许多方面尚未弄清。 　　多年来，许多学者致力于“桩基础”理论和试验研究，得出了了众多的成果。但是由于问题本身的复杂性，桩基础受承台刚度、桩基承台连接条件、桩基体系传力机制及单桩和群桩工作形态差别等的影响，使其与一般的土一结构相互作用的问题大不相同，是岩土工程界目前尚未很好解决的难题。远未形成一套系统的理论和简便实际的计算方法。特别是在工程应用上，所进行的工作相对较少，有必要进行更加系统地分析研究。 　　3 高层建筑结构桩基础简化设计分析 　　高层建筑结构作用在基础上的荷载大，基础埋置深，一般设置地下室并常常有作为人防工程或地下停车库等要求，因此，基础工程的材料用量多、施工复杂且施工周期长，其技术经济指标对建筑总造价有很大影响。高层建筑的基础除极少数可直接建于坚硬的岩石上以外，一般采用钢筋混凝土片筏式基础、箱形基础或桩基础，而桩基础是高层建筑最常用的基础形式。桩基础具有承载力大、稳定性好、沉降量小且均匀等优点，还能承受一定的水平力和上拔力，承受动荷载的性能也较好。 　　就高层建筑物的上下部相互作用问题来讲，传统的设计计算理论所采用的许多假定使其在不同程度上回避了桩-土-结构间相互作用的全面分析。如：地基反力系数法把土体对桩的反力作用等复杂因素通过Winker假定，简化成单纯的反力系数作用于桩上，传统设计计算理论本质上都未彻底解决桩-土相互作用力学机制的分析问题。对于高层建筑物的相互作用分析，必须将结构-桩-土体系作为一个整体来考虑。显然用传统的设计计算理论来更贴切地分析这一实际问题还是有些困难的。就目前的分析手段来讲，有限元法是个前景较好的方法，除了有限元数值模型能够充分地考虑诸如：土体材料性质的空间差异性、力学响应的非线性，复杂的几何边界条件等，而且还能够通过适当的数值技术模拟工程施工过程，以及由此而带来的一些施工力学问题等各类复杂的耦合因素外，其思想和实现过程也都较为简单和统一，因此适于编程和电算，极大的简化了桩结构基础的计算设计工作量。 　　在设计方法上进行简化考虑，由于结构分析的有限元法(特别是子结构分析技术)的进展和计算手段的极大改善，在力求从理论上回答工程实践中提出的各种问题的艰苦努力过程中，逐步发展到了这个阶段。其主要特点是统一考虑上部结构、基础和地基三者的共同作用，以离散形式的特征函数——地基刚度矩阵[Ks]表征地基土支承体系的刚度贡献，运用空间子结构方法，将上部结构的刚度与荷载逐层向下凝聚到基础子结构的上部边界，形成全部上部结构的等效边界刚度矩阵[场]和等效边界荷载向量{SB}。将它们叠加到基础子结构上去，并根据基础与地基按触点静力平衡和位移协调条件，就可得到考虑三者共同作用的基本方程(并可反映根邻建筑的影响)：　　 　　上式中： 　　[K]——基础子结构刚度矩阵； 　　[KB]——上部子结构的边界刚度矩阵； 　　[ ]——地基刚度矩阵； 　　{U}——基础子结构的位移列向量； 　　{Q}——基础子结构的荷载列向量； 　　{SB}—上部子结构的边界荷载向量； 　　{ }相邻建筑引起的沉降列向量。 　　求解该方程后得到基础子结构的节点位移{U}，再从下向上逐层进行子结构回代即可得到上部结构各节点的位移，从而进一步给出所需节点处的内力。除采用子结构法外，对上部结构的刚度贡献先后作过许多简化考虑，提出不少简单可行的分析途径，它们与子结构有限元法相辅相成，例如弹性杆法、有效工作刚度法、加权残数法等，不过一般都将上部结构处理为平面结构。 　　4 结语 　　高层建筑已经成为当前建筑领域的发展趋势和发展潮流，如何面对高层建筑下的结构桩基础的受力分析和结构设计，是当前建筑工程技术人员重点解决的问题之一。本论文结合高层建筑的结构桩基础的受力特点，利用有限元的计算方法，对结构桩基础的设计计算进行了简化分析设计，对于进一步提高高层建筑结构桩基础的简化设计，实现有限元技术下的结构桩基础的受力计算应用，具有一定的指导意义，本论文的简化计算方法是值得推广的。 　　参考文献： 　　[1]赵西安.我国高层建筑的最近发展[M].史佩栋等.北京:中国建筑工业出版社,2000. 　　[2]吴永红,郑刚,闰澎旺.多支盘钻孔灌注桩基础沉降计算理论与方法[J].岩土工程学报,2000, 22(5):528-531. 　　[3]冯国栋,刘祖德,黄绍铿.群桩基础的荷载传递参数值确定[C].第五届土力学及基础工程学术会议论文选集,中国建筑出版社,1990.