随着房屋建筑的大量兴建和计算机技术的迅速发展,上部建筑与地基基础的共同作用问题已受到工程界的广泛重视.由于计算手段的制约,在建筑结构设计时,先把上部结构隔离出来,把基础视为绝对刚性支座,求出上部结构的内力、变形;再把地基反力作用在桩或地基上来设计桩或校核地基强度和变形.由于没有考虑基础沉降差引起上部结构的次应力,使上部结构的设计偏于不安全;而由于没有靠虑上部结构刚度的影响,基础的内力被高估.因而这种常规设计方法与建筑物实际工作性状不相符.虽然当前已有考虑桩筏非线性的设计,但仍无人在此基础上,考虑上部结构。因此考虑上部结构,进一步认识上部结构与筏基及桩基和地基土非线性共同作用机制,优化设计桩筏基础,具有重要的现实意义。 本文在分析国内外相关研究成果的基础上,建立了一种考虑上部结构的上部结构-桩筏基础—地基非线性共同作用分析方法:以子结构法凝聚上部结构的荷载及刚度,以平面壳体单元模拟筏板,按有限层法模拟桩土之间的弹性相互作用,用广义剪切位移法模拟桩的非线性工作性状,用CUT—OFF方法对筏底土的极限状态进行限制。编制了基于上述分析方法考虑上部结构及筏基实际刚度和桩的非线性的共同作用分析程序。 本文深入分析了上部结构对非线性共同作用的影响。考虑上部结构,将降低土反力最小值,降低平均土反力,使筏底土反力分布更不均匀。并将减小基础沉降的最大值和沉降差,尤其对降低沉降差有明显作用。 共同作用的效应在上部结构上表现为,边柱因挤压而加载,中柱因拉伸而卸载,从而改变了上部结构内力分布.同一层柱加载与卸载的代数和为零。考虑共同作用后,弯矩和剪力都比常规法较大。可见,在上部结构中产生了可观的次应力,在设计中如不加以考虑,结构在使用过程中可能产生开裂现象. 研究了合理布桩方式,探讨了以零差异沉降为目标的优化设计的可能途径。合理调整桩长、桩径,在荷载大的地方(筏板中央区域)布置长而粗的桩,在荷载小的地方(筏板边缘区域)布置短而细的桩,并考虑上部结构参与共同作用后,可以在不使上部结构产生可观的次应力的情况下,使得筏板的差异沉降很小,直至趋近于零。 大型工程实例的模拟与对比分析证明了本文方法的可行性和计算程序的实用性,进一步验证了非线性复合桩基设计时考虑上部结构的必要性。