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上部结构、基础和地基共同作用的概念是由Meyerhof于1947年首先提出来的,在这以后的二年时期内,共同作用的分析呈现两个特点:一是由于计算工具的限制,一般都简化为平面问题,并把地基进行简单处理。二是直观而明确地考虑上部结构对基础刚度的贡献,力图把上部结构折算成刚度加进基础刚度中,从而进行基础内力和变形计算。
随着计算工具和计算技术的飞速发展,使人们对筏板基础的受力机制的深入认识成为了可能。常规设计方法之所以把上部结构、基础和地基分离开来考虑,是由于它的产生、发展和运用受其历史条件的限制。在计算工具尚不发达的年代,人们无法对建筑结构进行复杂的计算分析,只能在某些方面作一些假定进行简化计算。纵观上部框架结构的计算就能充分地说明这一点。在框架结构体系的计算中。过去经常分成单榀框架,用分层计算法、反弯点法等进行计算.自七十年代以来。随着计算机技术的高速发展,有限元法很快成熟起来,对大型结构(包括框架结构)进行整体计算非常普遍。现在,通过上部结构、基础和地基的共同作用进行筏板基础分析,成为了可能。
在上部结构与地基基础共同作用问题的研究中,上部结构的计算要相对容易一些,一方面是因为上部结构的结构形式和材料可以人为控制;另一方面是上部结构有了比较成熟的计算方法。因此,进行上部结构与地基基础共同作用问题研究的基本点在于基础和地基的计算,这就是基础和地基共同作用历来受到人们广泛重视的原因。
筏板基础的研究是当前岩土工程技术人员广泛关注的课题。然而,由于任何实际建筑物都是由上部结构、基础和地基三者组成的完整系统,上部结构、基础和地基之间相互影响共同作用的,在这个完整系统中筏板基础的受力和变形受着上部结构和地基的制约。因此,筏板基础的研究就不仅仅是研究筏板基础本身,还必须同时对上部结构和地基进行分析,即进行上部结构、筏板基础和地基的共同作用分析。近年来,国内外学者采用各种手段对筏板基础的受力变形机理进行了研究,并取得了一些研究成果,使人们对筏板基础特性的认识有所提高。但大都限于研究筏板基础与地基的共同作用方面,具有一定的局限性。而且,由于筏板基础是一个十分复杂的系统,其研究的对象包括筏板基础的平均沉降、差异沉降、弯矩和剪力等,涉及的因素有上部结构的型式和荷载大小、筏板基础的型式和几何参数(平面形状、尺寸大小和厚度)、地基土的性质和分布以及上部结构和筏板基础所使用的材料性质等诸多因素,分析起来非常困难。致使已有的研究成果与实际的需要还存在着较大的差距。因此,如何确定一种筏板基础的实用的、有效的和可靠的理论和数值分析方法,充分认识筏板基础同上部结构和地基的共同作用机制,从而改进筏板基础的传统设计方法或建立筏板基础的优化设计方法,仍然是目前迫切需要解决的课题,也是受大家关注之所在。而且,随着高层建筑的迅速发展,建筑规模及建筑高度的不断增加,基础工程的造价在建筑总造价中所占的比例也在逐渐上升。就钢筋混凝土结构和一般的地质条件而言,采用筏板基础的高层建筑,其基础工程的费用约占建筑总造价的10%-20%。因此,进行筏板基础的研究,改善筏板基础的设计方法,对于降低基础工程的造价,具有非常重要的现实意义。
筏板基础是高层建筑常采用的基础型式之一。高层建筑的上部结构、基础和地基是一个统一的有机整体,三者相互联系、相互影响。目前对高层建筑上部结构、筏板基础与地基的共同作用研究已取得了部分成果,但是由于上部结构、筏板基础和地基的共同作用是一个十分复杂的系统,其涉及众多因素,有必要进一步认识共同作用机制。
目前,研究上部结构-筏板基础-地基共同作用机理文献中,全部是建立在考虑完整上部结构的三者共同作用机理,没有考虑现实施工中上部结构分层施工的三者共同作用机理。本文考虑逐层施工对上部结构-基础-地基共同作用机理的影响,分析比较逐层施工的上部结构对筏板基础工作性状的影响,同时也分析比较逐层施工与考虑完整上部结构的共同作用机理。
本文系统全面的总结了国内外有关筏板基础及共同作用理论的研究成果,利用.ANSYS分析软件对共同作用问题进行了仿真分析。在此基础上建立了上部结构、筏板基础和地基的共同作用模型,分析了各部分共同作用的受力性状和相互的影响,希望获得一些可供实际工程设计参考和借鉴的结论。
本文主要完成了以下工作:
(1)按弹性的地基模型进行了模拟施工过程的计算分析,得出了筏板基础沉降、筏板内力的变化规律。
(2)根据筏板厚度变化情况,讨论了其对上部结构构件内力、基础沉降、筏板内力的影响。
(3)通过比较常规设计方法与共同作用设计方法,分析了上部结构内力的差异,得出了共同作用方法优于常规设计方法的结论。