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【摘要】在高层建筑基础设计中，考虑到建筑场地的地质状况、上部结构的类型、施工条件、使用要求，地基、基础与上部结构有着相互作用的影响。从而导致内力计算的误差，因此，高层建筑与地基基础的共同作用问题已越来越受到工程界的重视。高层建筑与地基基础共同作用，即把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。本文是对“共同作用”的机理和设计方法进行了探讨。
【关键词】上部结构；竖向刚度；抗弯刚度；弹性模量
1 前言：
上部结构和地基基础的相互作用，导致了内力计算的误差，有时误差还很大。因此，高层建筑与地基基础的共同作用问题已越来越受到工程界的重视。高层建筑与地基基础共同作用以下简称“共同作用”，即把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。本文是对“共同作用”的筏基及箱基机理和设计进行了探讨。
常规设计方法：把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，首先把基础作为上部结构的固定支座，在荷载作用下，求得上部结构的内力和变形以及基础固定处的反力。此时认为基础没有任何变形，然后把该反力作用于基础上去计算基础的内力，再把基础的反力作用于地基上来校核地基的强度和变形。这种常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移，忽略了上部结构对基础的约束作用，这样导致的结果：一是基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守；二是没有考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力，在某些部位（如底层梁、柱和边跨梁、柱）低估了上部结构的内力，使这些部位计算结果偏于不安全。
2 上部结构刚度对基础约束的有限性
上部结构的刚度是指水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。研究表明：随着建筑物层数的增加，水平刚度和抗弯刚度只是在最初几层增加较快，继而迅速减缓，趋于某一稳定值；而竖向刚度则随层数增加以某种规律增加，同样达到某一层时，趋于稳定。所不同的是比前两者多几层。可见上部结构刚度对基础的约束是有限的，不是随层数的增加而无限增加的。
3 上部结构刚度对基础“共同作用”的影响
结构刚度与施工条件、方式有着密切的关系，因此应考虑结构刚度的形成方式。其主要有：整个结构的刚度和荷载是一次同时形成的称为“一次形成”，本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“通层形成”，本层结构的刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。三种方式所形成的结构刚度所起的作用有所不同。
4 基础钢筋应力计算时，计算单元的变化的关系
4.1 为使高层建筑结构在水平力和竖向荷载作用下，其地基压应力不致过于集中，高宽比大于4 的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4 的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15％。计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑；平板式筏基的板厚可根据受冲切承载力计算确定，平板式筏基的板厚，应能满足受冲切承载力的要求，计算时应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力。
4.2 箱形基础高度应满足结构的承载力和刚度要求，长度的1/20，且不宜小于3m，箱形基础具有一定的刚度，能适应地基的不均匀沉降，满足使用功能上的要求，减少不均匀沉降引起的上部结构附加应力。
5 地基模型和土性变化时对“共同作用”的影响
当地基采用线性弹性模型时，随着结构刚度的增加，基底反力不断向边、端部集中，基底边缘发生过大反力是不可避免的。按此地基反力算得基础中点弯矩将比实测地基反力大几倍。当地基采用非线性弹性模型时，地基反力的集中现象就有明显的改善。当地基采用弹性模型时，即使对于绝对刚性基础，边缘地基反力仍比较缓和，与实际情况相接近。由此可见，在“共同作用”分析计算中，选择合适的地基模型是重要的。对于地基承载力小的软黏土，筏基边缘的地基反力由于超过地基的承载力，引起筏基两端的地基产生塑性变形，使得地基土应力重分布，产生比较均匀平缓的地基反力。
6 相邻建筑物对“共同作用”的影响
相邻建筑物对主体建筑“共同作用”结果的影响主要有：（1）与主体建筑同步建造的相邻建筑物；（2） 在主体建筑建好后建造的相邻建筑物。如果建筑物已造好，这种影响可以忽略不计，相邻建筑物是通过对主体建筑产生附加沉降参与“共同作用”的。它是随与主体建筑的距离远近和不同的布局，而产生不同的影响。当相邻建筑与主体建筑平行布置时，影响“共同作用”的效果主要是改变横向整体倾斜。对整体倾斜的影响非常之大，并显'' 著改变沉降分布，甚至改变倾斜方向。为此，特别是在小区建设中，必须充分注意相邻建筑对主体建筑的影响。
7 高层建筑基础的埋深及偏心距对“共同作用”的影响
7.1 高层建筑由于质心高、荷载重，对基础底面一般难免有偏心。为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础平面形心相重合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。
7.2 我国高层建筑发展是层数越来越多，高度不断增高，所以，高层建筑基础应有一定的埋置深度。在确定埋置深度时，应考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足承载力、变形、稳定以及上部结构抗倾覆要求的前提下，埋置深度的限值可适当放松。
8 设计建议
8.1 地基强度校核。在地基土比较均匀的条件下，筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合；高层建筑基础的混凝土强度等级不宜低于C30。如建设场地具有较稳定的地下水位，高层建筑筏形基础的地基应进行强度校核。
8.2 筏形基础和箱形基础的沉降计算。箱形基础的沉降可以用规范的分层总和法计算；建议采用根据高层建筑筏形基础实测变形特性，来计算筏形的沉降量。筏形基础的平面尺寸应根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素确定；当地基比较复杂、上部结构刚度较差，或柱荷载及柱间距变化较大时，筏基内力宜按弹性地基板方法进行分析。
8.3 荷载重心与底板形心的关系。上部结构传采的荷载重心应尽量与箱基基础底板形心重合，这是为了防止发生不利于使用的横向整体倾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基基础底板悬挑或箱基基础悬挑的方法来解决。底板悬挑长度与底板厚度之比不宜大于4。
8.4 高层框架结构箱基基底板钢筋应力的计算。高层框架结构箱基底板钢筋应力计算除采用规范方法外，建议采用“共同作用”整体计算。为了简化起见，计算单元可采用箱基加上1～3 层上部结构来计算底板钢筋应力。这样计算的整体弯曲箱基底板钢筋应力是符合实际的。当地基压缩层深度范围内的土层在竖向和水平方向皆较均匀，且上部结构为平立面布置较规则的框架、剪力墙、框架-剪力墙结构时，箱形基础的顶、底板可仅考虑局部弯曲计算。
9 结束语
高层建筑箱基及筏形基础与上部结构和地基基础的相互作用问题，导致内力计算的误差，有时误差还很大。常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移及上部结构对基础的约束作用，导致基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守。所以，应考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力和上部结构的内力，否则这些部位计算结果偏于不安全。会降低建筑结构的承载力、刚度、稳定和整体性、耐久性，甚至还会导致构筑物倒塌的重大质量事故。因此，正确分析原因是十分必要的。以上是对高层建筑箱基及筏形基础时与上部结构和地基基础的相互作用存在问题的一个小结，作为引玉之砖，呈现给前辈和同行，以求指正。
【关键词】上部结构；竖向刚度；抗弯刚度；弹性模量
1 前言：
上部结构和地基基础的相互作用，导致了内力计算的误差，有时误差还很大。因此，高层建筑与地基基础的共同作用问题已越来越受到工程界的重视。高层建筑与地基基础共同作用以下简称“共同作用”，即把高层建筑、基础和地基三者看成一个整体，并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。本文是对“共同作用”的筏基及箱基机理和设计进行了探讨。
常规设计方法：把上部结构和基础作为两个独立单元分别考虑，首先把基础作为上部结构的固定支座，在荷载作用下，求得上部结构的内力和变形以及基础固定处的反力。此时认为基础没有任何变形，然后把该反力作用于基础上去计算基础的内力，再把基础的反力作用于地基上来校核地基的强度和变形。这种常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移，忽略了上部结构对基础的约束作用，这样导致的结果：一是基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守；二是没有考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力，在某些部位（如底层梁、柱和边跨梁、柱）低估了上部结构的内力，使这些部位计算结果偏于不安全。
2 上部结构刚度对基础约束的有限性
上部结构的刚度是指水平刚度、竖向刚度和抗弯刚度的综合。研究表明：随着建筑物层数的增加，水平刚度和抗弯刚度只是在最初几层增加较快，继而迅速减缓，趋于某一稳定值；而竖向刚度则随层数增加以某种规律增加，同样达到某一层时，趋于稳定。所不同的是比前两者多几层。可见上部结构刚度对基础的约束是有限的，不是随层数的增加而无限增加的。
3 上部结构刚度对基础“共同作用”的影响
结构刚度与施工条件、方式有着密切的关系，因此应考虑结构刚度的形成方式。其主要有：整个结构的刚度和荷载是一次同时形成的称为“一次形成”，本层结构刚度与本层的荷载同时形成的称为“通层形成”，本层结构的刚度对承受本层或后几层荷载无贡献的称为“滞后形成”。三种方式所形成的结构刚度所起的作用有所不同。
4 基础钢筋应力计算时，计算单元的变化的关系
4.1 为使高层建筑结构在水平力和竖向荷载作用下，其地基压应力不致过于集中，高宽比大于4 的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4 的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15％。计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑；平板式筏基的板厚可根据受冲切承载力计算确定，平板式筏基的板厚，应能满足受冲切承载力的要求，计算时应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力。
4.2 箱形基础高度应满足结构的承载力和刚度要求，长度的1/20，且不宜小于3m，箱形基础具有一定的刚度，能适应地基的不均匀沉降，满足使用功能上的要求，减少不均匀沉降引起的上部结构附加应力。
5 地基模型和土性变化时对“共同作用”的影响
当地基采用线性弹性模型时，随着结构刚度的增加，基底反力不断向边、端部集中，基底边缘发生过大反力是不可避免的。按此地基反力算得基础中点弯矩将比实测地基反力大几倍。当地基采用非线性弹性模型时，地基反力的集中现象就有明显的改善。当地基采用弹性模型时，即使对于绝对刚性基础，边缘地基反力仍比较缓和，与实际情况相接近。由此可见，在“共同作用”分析计算中，选择合适的地基模型是重要的。对于地基承载力小的软黏土，筏基边缘的地基反力由于超过地基的承载力，引起筏基两端的地基产生塑性变形，使得地基土应力重分布，产生比较均匀平缓的地基反力。
6 相邻建筑物对“共同作用”的影响
相邻建筑物对主体建筑“共同作用”结果的影响主要有：（1）与主体建筑同步建造的相邻建筑物；（2） 在主体建筑建好后建造的相邻建筑物。如果建筑物已造好，这种影响可以忽略不计，相邻建筑物是通过对主体建筑产生附加沉降参与“共同作用”的。它是随与主体建筑的距离远近和不同的布局，而产生不同的影响。当相邻建筑与主体建筑平行布置时，影响“共同作用”的效果主要是改变横向整体倾斜。对整体倾斜的影响非常之大，并显'' 著改变沉降分布，甚至改变倾斜方向。为此，特别是在小区建设中，必须充分注意相邻建筑对主体建筑的影响。
7 高层建筑基础的埋深及偏心距对“共同作用”的影响
7.1 高层建筑由于质心高、荷载重，对基础底面一般难免有偏心。为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础平面形心相重合，当偏心难以避免时，应对其偏心距加以限制。
7.2 我国高层建筑发展是层数越来越多，高度不断增高，所以，高层建筑基础应有一定的埋置深度。在确定埋置深度时，应考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足承载力、变形、稳定以及上部结构抗倾覆要求的前提下，埋置深度的限值可适当放松。
8 设计建议
8.1 地基强度校核。在地基土比较均匀的条件下，筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合；高层建筑基础的混凝土强度等级不宜低于C30。如建设场地具有较稳定的地下水位，高层建筑筏形基础的地基应进行强度校核。
8.2 筏形基础和箱形基础的沉降计算。箱形基础的沉降可以用规范的分层总和法计算；建议采用根据高层建筑筏形基础实测变形特性，来计算筏形的沉降量。筏形基础的平面尺寸应根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素确定；当地基比较复杂、上部结构刚度较差，或柱荷载及柱间距变化较大时，筏基内力宜按弹性地基板方法进行分析。
8.3 荷载重心与底板形心的关系。上部结构传采的荷载重心应尽量与箱基基础底板形心重合，这是为了防止发生不利于使用的横向整体倾斜。若重心和形心相差太大，可采用箱基基础底板悬挑或箱基基础悬挑的方法来解决。底板悬挑长度与底板厚度之比不宜大于4。
8.4 高层框架结构箱基基底板钢筋应力的计算。高层框架结构箱基底板钢筋应力计算除采用规范方法外，建议采用“共同作用”整体计算。为了简化起见，计算单元可采用箱基加上1～3 层上部结构来计算底板钢筋应力。这样计算的整体弯曲箱基底板钢筋应力是符合实际的。当地基压缩层深度范围内的土层在竖向和水平方向皆较均匀，且上部结构为平立面布置较规则的框架、剪力墙、框架-剪力墙结构时，箱形基础的顶、底板可仅考虑局部弯曲计算。
9 结束语
高层建筑箱基及筏形基础与上部结构和地基基础的相互作用问题，导致内力计算的误差，有时误差还很大。常规设计方法人为地把基础和上部结构分开计算，忽略了基础的变形和位移及上部结构对基础的约束作用，导致基础弯矩和纵向弯曲过大，基础设计偏于保守。所以，应考虑基础实际存在的差异沉降引起的上部结构的次应力和上部结构的内力，否则这些部位计算结果偏于不安全。会降低建筑结构的承载力、刚度、稳定和整体性、耐久性，甚至还会导致构筑物倒塌的重大质量事故。因此，正确分析原因是十分必要的。以上是对高层建筑箱基及筏形基础时与上部结构和地基基础的相互作用存在问题的一个小结，作为引玉之砖，呈现给前辈和同行，以求指正。