高层建筑基础设计考虑上部结构刚度影响分析

赵彦波

(北京天鸿圆方建筑设计有限责任公司 北京 100062)

高层建筑基础设计考虑上部结构刚度影响分析

赵彦波

(北京天鸿圆方建筑设计有限责任公司 北京 100062)

是否考虑上部结构刚度对建筑结构的基础设计计算结果影响明显。文章采用有限元分析方法，分析了两个工程实例在使用YJK软件(盈建科结构设计软件)进行高层建筑基础设计时考虑上部结构刚度软件实现的参数设置注意事项及对设计计算结果的影响。结果表明：建筑结构基础设计考虑上部刚度影响可以有效减小基础沉降量及沉降差，使基础设计更经济、合理。

高层建筑基础设计；上部结构刚度；建筑结构分析

0 引言

工程中的建筑结构体系是由上部结构、基础与地基三部分组成的统一体，在荷载、地震作用下，三者相互影响、共同作用[1]。国家规范相关条文规定，建有多栋高层或低层建筑的整体大面积基础宜考虑上部结构、基础与地基的共同作用进行变形计算，筏板厚度、配筋的确定宜按共同作用的基础变形和基底反力计算[2]。

随着人们对地基基础问题研究的不断深入，建筑基础结构分析大致经历了3个发展阶段，即：不考虑共同作用阶段，考虑基础与地基共同作用阶段以及充分考虑上部结构、基础与地基共同作用阶段。建筑结构共同作用分析理论就是把上部结构、基础与地基三者作为共同工作的整体而研究的计算分析方法，特别是建造于较软弱地基上的高层建筑结构进行计算分析、设计，能够比较真实客观地反映结构的实际工作状态，也是被认为是比较安全、经济与合理的分析方法[3]。

建筑结构共同作用分析方法是伴随着有限单元法及子结构分析技术在结构分析领域的应用而逐步发展起来的。本文通过两个工程实例，对使用YJK软件进行高层建筑结构基础设计时，考虑上部结构刚度参数设置注意事项及对设计结果的影响进行探讨分析。

1 计算原理与软件实现

1.1计算原理

YJK建筑结构设计软件系统是由北京盈建科软件股份有限公司研发的一套集成化建筑结构辅助设计系统。其基础设计模块YJK-F，对于筏板、地基梁及筏板内布置独基、桩承台、柱墩的整体式基础，或分离式的复杂独基、承台基础和地梁联合布置的基础统一按“考虑上部刚度的弹性地基梁板法”分析[4]。

实际工程中，上部结构、基础和地基协同工作、互相影响。YJK-F在考虑上部结构和基础共同作用时，采用了基于子结构思想的上部结构、基础与地基的共同作用分析，将上部结构刚度与荷载向下部基础凝聚实现的，软件中“弹性地基梁板理论分析方法”考虑了地基、基础的共同作用，并在此基础上，引入由上部结构在基础处凝聚的刚度和荷载向量矩阵来反映基础和上部结构的共同作用。

1.2软件实现

考虑上部结构刚度影响的基础结构计算在YJK软件中实现需要如下操作及注意事项。在上部结构计算时，应在参数的结构总体信息中勾选“生成传给基础的刚度”选项，从而将上部结构刚度及荷载凝聚下传。在随后的基础计算时应在“桩筏筏板弹性地基梁计算参数”对话框中选择考虑上部结构刚度。

图3 基础沉降三维图

需要注意的是，程序只在剪力墙两端建立上、下结点的连接关系，造成墙线中部对基础的约束并没有体现。因此，可以将剪力墙简化成深梁模型即有限高度的弹性梁作为补充，在“板上剪力墙计算方案”中勾选“深梁”选项。有限高度弹性梁的剪力墙计算方案弥补了墙中部节点与基础缺少协调连接而未考虑的上部结构刚度，使得分析计算更符合实际、合理。此选项选择刚性约束时，剪力墙等同于无限高度的深梁，墙下节点只发生刚体平动和旋转，这与实际受力情况不符，因此，一般情况下不建议使用刚性约束方案，同时也不需要考虑剪力墙的整体高度，深梁的等效高度填写5m～10m即可。

2 上部刚度对基础设计的影响

下文是两个实际工程案例，通过对比是否考虑上部结构刚度的设计计算数据，得出上部结构刚度对基础设计的影响。

案例1，高层住宅剪力墙结构，地下1层，地上26层，层高2.9m，总高度75.5m。拟建场地处于抗震设防烈度8度区内，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，Ⅲ类场地，特征周期Tg为0.55s。基础采用桩筏基础，筏板厚800mm，桩长25.1m，基础布置的三维轴侧图如图1所示。

图1 桩筏基础

案例2，高层住宅剪力墙结构，地下1层，地上17层，层高2.85m，总高度48.55m。拟建场地处于抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，特征周期Tg为0.40s，Ⅱ类场地。基础采用筏板基础，筏板厚500mm，基础布置的三维轴侧图如图2所示。

图2 筏板基础

2.1上部刚度对基础沉降的影响

两个案例的基础三维沉降(考虑上部刚度)如图3所示，考虑与不考虑上部结构刚度的沉降计算数据对比如表1所示。

表1 沉降分析结果对比

对比表中数据：基础的沉降计算在考虑上部结构刚度后，最大沉降量项，案例1由25.2mm减小至22.3mm，案例2由39.0减小至35.3mm。基础沉降差方面，绝对沉降差案例1由17.1mm减小至12.1mm，案例2由14.1mm减小至8.6mm。相对沉降差案例1由0.08%减小至0.05%，案例2由0.10%减小至0.06%。

以上对比数据反映出上部结构刚度对减少基础沉降的贡献，即基础沉降计算在考虑上部结构刚度后，其最大沉降及差异沉降量均明显减小、基础沉降更加均匀。

2.2上部刚度对地基承载力验算的影响

案例1的桩竖向承载力验算与案例2的地基承载力验算结果如表2～表3所示。其中，案例1桩竖向承载力特征值Ra为2200kPa，案例2地基承载力特征值fa为390kPa。

表2 案例1桩竖向承载力验算 kPa

表3 案例2地基承载力验算 kPa

表中数据可得出：非地震作用组合时，桩承载力验算2360kPa<2600kPa<1.2Ra=2640kPa，地基承载力验算432kPa<462kPa<1.2Ra=468kPa。地震作用组合时，桩抗震承载力验算3078kPa<1.5Ra=3300kPa<3594kP，地基抗震承载力验算523kPa<1.5Ra=585kPa<625kPa。在未考虑上部结构刚度时，案例1桩竖向承载力验算和案例2地基承载力验算在地震作用组合下均不满足抗震承载力要求，考虑上部结构刚度后有效解决了未考虑时地基承载力验算不通过的问题。

2.3上部刚度对钢筋用量的影响

基础设计配筋时，不考虑上部结构刚度影响的最大正、负弯矩值较大，造成相应位置的配筋量及配筋率偏大而不合理。在考虑上部结构刚度的影响后，基础的配筋率明显减小。表4为两个案例X向计算配筋与实际配筋面积的数据对比。

表4 两案例X向计算配筋与实际配筋数据对比

注：表中，实配钢筋例“Φ18@200+Φ16@200”表示前者通长筋Φ18@200加上后者补强筋Φ16@200。

从表4中数据可以看出，基础配筋在考虑了上部结构刚度后局部配筋偏大的状况明显改善，基础弯矩较大的应力集中部位如实例2顶部0.98%的较高板配筋率降至0.45%左右。考虑上部结构刚度解决了筏板局部应力较大部位的配筋偏大问题，使得基础设计配筋更合理、均匀。

图4为配筋量-考虑楼层数变化关系曲线。从图4中可以看出，考虑上部结构刚度的层数与基础配筋量成一定关系，即：随着考虑上部结构层数的增加，基础配筋总量逐渐减小，当考虑3层以上结构刚度影响时配筋量趋于稳定。因此，选项“凝聚局部楼层刚度时考虑的底部层数”一般填写3～5即可。

图4 配筋量-考虑楼层数变化关系曲线

考虑了上部结构刚度影响后，在基础总配筋量方面，实例1由32.78t最多可减小至27.96t，节省钢筋量14.7%，实例2由32.15t最多可减小至14.62t，钢筋节省量高达54.5%。有效利用上部结构刚度，使得基础内力计算合理、工程用料更加节省。

3 结论

本文通过两个实际工程案例基础设计计算结果数据的对比，探讨了上部结构刚度对基础设计的影响，得到以下结论供结构设计人员参考。

(1)考虑上部结构刚度后基础的最大沉降量和沉降差明显减小，使得沉降计算更合理，真实地反映上部结构与基础的受力状况。

(2)上部结构刚度的考虑可解决抗震承载力验算不满足的问题。

(3)随着考虑上部结构刚度层数增大基础配筋总量减少并趋于平稳，基础设计计算时一般可考虑3～5层上部结构刚度影响。

(4)考虑上部结构刚度可解决筏板局部配筋偏大的问题，并节省筏板的钢筋用量，使设计更趋合理，充分发挥基础材料的作用。

考虑上部结构刚度对基础的约束作用，可以有效利用上部结构刚度，使得基础内力计算更加合理、符合实际，工程用料更加节省，对工程应用有重要的实际意义和经济意义。

[1] 孙建琴，李从林.建筑结构与地基基础共同作用分析方法[M].北京：科学出版社，2014.

[2] GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 肖强，丁翠.上部结构与地基基础共同作用问题的研究现状[J].浙江建筑，2009(9)：28-33.

[4] 北京盈建科软件股份有限公司.YJK-F基础设计软件用户手册[Z].2015.

Tallbuildingfoundationdesignontheanalysisofthestiffnessoftheupperstructure

ZHAOYanbo

(Beijing Tianhong Yuanfang Architectural Design CO.,Ltd. , Beijing 100062)

The calculation results for architectural structure foundation design can be quite different by taking the superstructure rigidity into account. In this paper, the superstructure rigidity is considered during the design of high rise building foundations by exploiting the YJK software through two engineering projects. The parameter setting and the influence made on the calculation results for design are noticed by finite element analysis. The results indicate that it can reduce the subsidence and settlement difference by considering the superstructure rigidity influence during the architectural structure basic design. Meanwhile, it makes the basic design more economically and more reasonably.

Foundation design of high rise buildings; Superstructure rigidity; Architectural structure analysis

TU973

A

1004-6135(2017)11-0045-04

赵彦波(1988- )，男，工程师。

E-mail:yebo0829@163.com

2017-08-16