浅谈上部结构与地基基础的共同作用

　　当前，上部结构与地基基础共同作用的问题开始获得工程技术人员的广泛关注，也是重点研究的问题。尽管到目前为止，对于这一问题的研究已经获得了一定的成果，然而其还具有可以深入的空间。上部结构、地基与基础是具有紧密关联的整体。假如在设计的过程中忽视了三者的相互作用，将其进行分别计算，这样不但会耗费更多的经济成本，而且也影响到建筑的安全性与可靠性。因此，加强对上部结构与地基基础彼此间共同作用的研究是非常必要的。

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　　引言

　　在一般状况下，在建筑结构设计过程中，往往是将地基、上部结构与基础作为三个相互独立的结构来进行分析的。尽管这种分析方式符合静力平衡条件要求，然而却忽视了三部分受荷前后的变形连续性，是存在不足的。实际上，三部分是存在紧密关联的，都会根据各自独有的刚度来有效制约变形现象的发生，进而使得整个体系的内力及变形发生改变。所以，科学的分析法是使三者都能充分满足静力平衡及变形协调的前提条件，进而充分反映出三者间的密切关联，实现科学合理及安全经济的目标。所以，加强对地基基础及上部结构共同作用的研究是非常必要的。

　　1上部结构与地基基础共同作用的研究发展

　　截止到目前为止，随着高层建筑的日益增多以及网络技术与计算机技术的飞速发展，也使得高层建筑与地基基础工程作用发展成一门新型学科。在60年代初期，我国就开始对共同作用进行研究。然而到70年代，我国才真正地对高层建筑与地基基础工程作用问题展开深入的研究。从70年代至今，在这几十年的时间中已经形成了若干有关地基基础的规范规定，而且也召开了许多大型的专题会议，进而使得这门新兴的学科得到了更好的发展。在1985年，路佳与董建国等人率先尝试在高层建筑地基基础中合理应用共同作用。由此开始，共同作用的实践应用正式拉开序幕。

　　2上部结构与地基基础间共同作用的原理

　　地基、基础以及上部结构是建筑物的主要组成部分(如图1)。三者之间具有密切的关联，其共同作用原理具体如下：

　　2.1地基刚度的影响。在地基变得比较柔软时，那么基础内力以及相对挠曲就会得到一定程度的增加。反之，在地基刚度增加到一定的数值时，上部结构的刚度则不会对基础内力的重分布产生任何影响。这主要是由于此时不均匀沉降已经变得非常小，其无需再利用上部结构来减少不均匀沉降，因此就不会影响到基础内力。

　　2.2基础刚度的影响。基础刚度的改变也会在很大程度上影响到上部结构内力以及基础内力。在一般状况下，当上部结构刚度以及地基条件保持不改变的前提下，那么随着基础刚度的不断增加，基础内力也会发生增大，相对挠曲会逐渐减小。反之，在基础刚度发生减小的情况下，上部结构中所包含的次应力去口会发生增大的现象。

　　3上部结构与地基基础共同作用的研究方法

　　3.1原位测试法。此方法可以将建筑的实际受力状况充分地反映出来，我们可以借助于对测试结果的深入分析与研究，从而获知上部结构以及地基基础之间发生共同作用的基本原理，进而更好地认识其共同工作的特性，这样就可以为工程设计工作的顺利开展提供准确、有效的数据。

　　3.2理论分析法。目前，此方法在共同作用问题研究中主要包括两种方法：(1)数值法。主要包括有限单元法以及有限差分法等。其中最早的一种数值方法即为有限差分法。其主要是将有限差分方程合理地替代邊界条件以及微分方程。如此一来，就可以把问题逐渐转化为代数求解的方程组。然后再利用解线性方程组的方法计算出定解问题的近似解。另外，当前有限单元法是应用最为广泛的一种分析方法。此方法在共同作用问题的分析中主要包含的方法有分块求解法以及子结构方法等。其中对高层建筑和地基基础共同作用研究最为科学、有效的方法即为子结构法。(2)解析法。选用结构力学法，把静力平衡体系划分为3部分，对每一个部分进行分别求解。选用弹性力学中的解答来完成对高层建筑和地基基础共同作用的分析。

　　4上部结构与地基基础共同作用分析的结论

　　4.1地基模型的影响。在选用线弹性模型时，在结构刚度发生增大的时候，基底的反力也会逐渐向边、端部进行集中。所以，基底边缘一定会出现过大的反力。而以此计算所获得的基础中点弯矩则会要远远大于实测地基的反力。但是在地基选择使用非线性模型的时候，那么就会显著地缓解地基反力的集中问题。当选择使用弹塑性模型时候，就算是刚性基础，地基的边缘反力也是非常缓和的，同时也是非常接近于实测结果。

　　4.2结构刚度的影响。在一般状况下，施工条件以及结构刚度之间存在着非常密切的关联，也就是要对刚度的形成方式进行充分分析。目前，刚度的形成主要包括以下三种形式：(1)一次形成。即为整个结构的刚度以及荷载是在同一时间一次性形成的;(2)逐层形成。即为本层的结构刚度以及本层的荷载是在同一时间共同形成的;

　　4.3基础底板钢筋应力计算单元的改变。对于基础以及上部结构而言，其主要是人们通过结构在地面上下的位置进行划分的。但是实际上，其是一个共同的整体。通过大量的实践检测结果发现，在计算基础底板钢筋应力的时候，计算单元并非是一成不变的，而是发生变化的。

　　总之，当前国内外对于上部结构与地基基础工程作用的研究已经日益深入，其作为一门学科的发展也越来越成熟。