任毅

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國(guó)城市化發(fā)展水平的不斷提升，在建筑工程施工以及規(guī)劃的過(guò)程中，以集約化理念為依托打造的高層建筑，已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)，高層建筑雖然可以集多種功能于一體，但是對(duì)于建筑本身的抗震性能要求較高，尤其是針對(duì)部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的區(qū)域，在高層建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要打造全方位的結(jié)構(gòu)抗震體系。其中，部分抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)忽略基礎(chǔ)剛度對(duì)抗震性能產(chǎn)生的影響，這會(huì)對(duì)建筑的實(shí)際使用造成一定的限制。因此，本文以技術(shù)分析法以及理論分析法為主要方式，以定位基礎(chǔ)剛度對(duì)建筑防震性能產(chǎn)生的影響為目的，結(jié)合其中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)，確保能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程的開(kāi)展提供理論依據(jù)。

1 理論背景分析

目前，我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)主要是以基礎(chǔ)嵌固假定為主，依托建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)分析地震剪力折減系數(shù)，考慮地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間的影響，最終定位抗震性能以及參數(shù)。針對(duì)爭(zhēng)議標(biāo)準(zhǔn)不同國(guó)家采用的分析方式，也有一定的差異性，例如，美國(guó)采用的便是引入結(jié)構(gòu)等效周期近似考慮其影響。而從實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)講，抗震設(shè)計(jì)要考慮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)剛度，這樣能夠提升結(jié)構(gòu)周期以及使用壽命，也可以減小地震的危害。另外，從理論上來(lái)講，客觀存在的有限基礎(chǔ)剛度也會(huì)改變建筑結(jié)構(gòu)，尤其是在地震的影響下，會(huì)影響建筑的變形特點(diǎn)和內(nèi)力分布規(guī)律。這也就導(dǎo)致部分學(xué)者認(rèn)為，建立在基礎(chǔ)嵌固假定上進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致整體的設(shè)計(jì)方案過(guò)于保守，局部偏于危險(xiǎn)，因此會(huì)影響整體建筑工程的穩(wěn)定性。針對(duì)這一問(wèn)題，美國(guó)的相關(guān)研究人員也給出了高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算模型，其中分為基礎(chǔ)嵌固模型以及有限基礎(chǔ)剛度模型。但是針對(duì)其討論重點(diǎn)來(lái)講，集中討論了基礎(chǔ)剛度的具體確定方法，卻未針對(duì)其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行全方位分析。

2 高層建筑地基剛度的結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)前絕大部分的高層建筑都含有地下室結(jié)構(gòu)，而地下室結(jié)構(gòu)也是在計(jì)算基礎(chǔ)剛度時(shí)要參考的主要結(jié)構(gòu)，地下室外側(cè)的主體抗力和剛度，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)整體建筑的基礎(chǔ)剛度。因此，在結(jié)構(gòu)計(jì)算的過(guò)程中，往往要結(jié)合是否有無(wú)地下室這兩種情況進(jìn)行針對(duì)性分析。比如針對(duì)沒(méi)有地下室的高層建筑，在基礎(chǔ)拉梁剛度較小或者獨(dú)立計(jì)算的情況下，可以將地基土豎向抗力作用模擬分布豎向彈簧至于基底，地基土水平抗力作用模擬成點(diǎn)彈簧放置在基礎(chǔ)外邊緣；而針對(duì)附帶地下室結(jié)構(gòu)的建筑來(lái)講，在計(jì)算基礎(chǔ)剛度的過(guò)程中，要滿足建筑物具有地下室且承臺(tái)底面以上不存在液化土層的這一狀況，同時(shí)，也要考慮地下室外側(cè)土體抗力的作用。并且將側(cè)向地基土抗力作用模擬成點(diǎn)彈簧放置在地下室樓板、底板邊緣以及頂板上。

針對(duì)樁基礎(chǔ)，豎向彈簧主要表示樁基礎(chǔ)的樁端阻力以及樁身摩阻力；水平彈簧主要表現(xiàn)樁頂?shù)乃綇椥钥沽σ约盎A(chǔ)承臺(tái)底和地基土之間的摩擦力。

3 高層建筑地基基礎(chǔ)剛度的計(jì)算方法

由于高層建筑本身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及了較多的細(xì)化分支，因此，在基礎(chǔ)剛度計(jì)算的過(guò)程中，可以綜合以下幾個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算。

3.1 樁基礎(chǔ)剛度

樁基礎(chǔ)的剛度主要由豎向剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度以及水平剛度這3個(gè)元素組成，同時(shí)，還要分析其耦合項(xiàng)的組成情況，在這個(gè)過(guò)程中，可以利用試樁曲線來(lái)確定以上3種參數(shù)。

3.2 天然地基剛度

天然的地基，在計(jì)算基礎(chǔ)剛度的過(guò)程中，其簡(jiǎn)圖如圖1所示。

綜合其中的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)講，B、L主要表示地基的寬度以及長(zhǎng)度，d主要表示基礎(chǔ)高度；D表示基礎(chǔ)的埋深位置，Szi表示豎向分布彈簧剛度，S×以及Sy表示水平點(diǎn)的彈簧剛度。以上幾項(xiàng)參數(shù)，配合基礎(chǔ)總豎向剛度、橫向水平剛度、縱向水平剛度便能夠得出近似值，同時(shí)還需要考慮土體剪切模量以及泊松比，分析基礎(chǔ)埋深的影響修正系數(shù)。

3.3 地下室外側(cè)土體的水平剛度

首先，針對(duì)地下室結(jié)構(gòu)的主體水平系數(shù)進(jìn)行假設(shè)，假設(shè)該系數(shù)隨著土體的深度增加呈線性增加狀態(tài)，而在地表該參數(shù)為0。那么，地下室外側(cè)的土體水平剛度計(jì)算結(jié)構(gòu)需要結(jié)合某一點(diǎn)到地表的距離、地基土體水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)確定，同時(shí)，還需要分析垂直與土體水平抗力方向的墻體計(jì)算長(zhǎng)度。

3.4 基礎(chǔ)剛度退化分析

在建筑工程正常使用的環(huán)境下，基礎(chǔ)豎向剛度會(huì)逐步進(jìn)行退化，而基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)以及平動(dòng)的剛度不會(huì)出現(xiàn)變化；在大型地震的影響下，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)以及平動(dòng)剛度會(huì)出現(xiàn)退化情況，而豎向的剛度往往選取長(zhǎng)期剛度。這一現(xiàn)象可以綜合如圖2所示的試樁曲線來(lái)表現(xiàn)。

4 高層建筑基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用產(chǎn)生的影響分析

建立在建筑基礎(chǔ)剛度影響上，一方面，結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度會(huì)隨之減小，而自振周期會(huì)逐步加大，最終總地震作用會(huì)有所下降；另一方面，邊界條件的改變會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)細(xì)節(jié)，也就導(dǎo)致在地震作用的影響下絕對(duì)位移會(huì)逐步增加，而內(nèi)力會(huì)出現(xiàn)重分布現(xiàn)象，局部的地震效應(yīng)也會(huì)隨之加大?；谠摾碚?，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行地震作用以及影響效應(yīng)的分析。

4.1 基礎(chǔ)剛度對(duì)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

為了進(jìn)一步提升本文論述的科學(xué)性和有效性，本文以具體的案例作為切入點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性分析。

（1）結(jié)構(gòu)分析。某建筑為12層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑樁基礎(chǔ)為C30材料加工而成，直徑為兩米樁長(zhǎng)20m，樁頂端擴(kuò)孔置于中風(fēng)化花崗巖巖層，單個(gè)樁基礎(chǔ)的豎向承載力特征值控制在16000kN，采用一柱一樁的基礎(chǔ)模式，8度第一組抗震設(shè)防，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。其中，針對(duì)其基礎(chǔ)剛度進(jìn)行計(jì)算，可以通過(guò)區(qū)間來(lái)表示，選擇下限0.5K以及上限2.0K，可以將每個(gè)樁基礎(chǔ)的約束剛度設(shè)定為表1所示。

表1中，PPP：當(dāng)承臺(tái)板沿樁軸線方向產(chǎn)生單位位移時(shí)在樁頂面處產(chǎn)生的軸向力。

表1 建筑結(jié)構(gòu)單樁約束幫助分析

PMM：當(dāng)承臺(tái)板順樁頂面彎矩方向產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角時(shí)所引起的樁頂處彎矩。

PHH：當(dāng)承臺(tái)板順垂直樁軸線出現(xiàn)單位橫向位移時(shí)，在樁頂面產(chǎn)生的橫向力。

PMH：當(dāng)承臺(tái)板沿垂直樁軸線方向產(chǎn)生單位橫向位移時(shí)所引起的構(gòu)件頂面處的彎矩。

（2）建筑模態(tài)分析。在建筑模態(tài)分析的過(guò)程中，需要依托剛性樓蓋假定原理，了解基礎(chǔ)嵌固和有限基礎(chǔ)剛度結(jié)構(gòu)的前6階自振周期。通過(guò)當(dāng)前絕大部分的工程試驗(yàn)以及實(shí)際總結(jié)來(lái)看，隨著建筑剛度的逐步退化，框架結(jié)構(gòu)自振周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)比基礎(chǔ)嵌固增大數(shù)值更高。

（3）規(guī)范反應(yīng)譜的計(jì)算。其中主要以水平地震作用以及結(jié)構(gòu)水平位移為主。

①?gòu)乃降卣鹱饔玫慕嵌葋?lái)講，隨著基礎(chǔ)剛度對(duì)樓層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，框架結(jié)構(gòu)樓層的剪力以及傾覆力矩會(huì)逐步減小。

②從結(jié)構(gòu)水平位移上來(lái)講，在考慮基礎(chǔ)剛度的前提下，框架結(jié)構(gòu)、樓層的絕對(duì)水平位移相比基礎(chǔ)嵌固會(huì)逐步增大，而基礎(chǔ)嵌固頂點(diǎn)的位移高達(dá)36.37mm，在基礎(chǔ)剛度數(shù)值為K時(shí)，增大了近8%，最終達(dá)到了39.28mm；而高層建筑三層以上的結(jié)構(gòu)水平位移以及基礎(chǔ)嵌固的變化不明顯，但是，下層樓層間的位移會(huì)逐步加大。基礎(chǔ)嵌固底層的層間位移為4.07mm，在達(dá)到統(tǒng)一的基礎(chǔ)剛度K時(shí)，增大了31.2%，達(dá)到了5.34mm。在基礎(chǔ)剛度最小時(shí)增大為61.2%，達(dá)到了最終的6.56mm。

從其結(jié)果來(lái)看，考慮基礎(chǔ)剛度的前提下，結(jié)構(gòu)在水平地震作用下會(huì)出現(xiàn)剛體平動(dòng)以及整體轉(zhuǎn)動(dòng)位移。其中基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)涵蓋了柱底局部轉(zhuǎn)動(dòng)以及邊柱軸向變形，若忽略柱底局部轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，基礎(chǔ)整體轉(zhuǎn)動(dòng)角往往需要依靠邊柱走向變形差除以結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度，最終能夠得出實(shí)際數(shù)值。將其中的剛體平動(dòng)以及整體轉(zhuǎn)動(dòng)影響去除后，框架結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移以及層間位移，隨著基礎(chǔ)剛度的逐步減小，存在較為明顯的下降情況，而現(xiàn)行的規(guī)范中剪切型結(jié)構(gòu)位移限值依舊滿足實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

③還需要綜合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力進(jìn)行分析。內(nèi)力分析主要涉及底層中柱以及底層邊柱的剪力、柱根彎矩、柱頂彎矩這3個(gè)要素進(jìn)行分析。在相同的基礎(chǔ)剛度K的影響下，可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)嵌固底層邊柱的上下彎距變化較為明顯。柱上端增大了37%左右，而下端減小了13%左右，在基礎(chǔ)剛度為最小數(shù)值時(shí)，柱上端的數(shù)值增大69%，而下端減小了23%。

由此可以證明，基礎(chǔ)剛度過(guò)低估計(jì)地震作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致建筑抗震性能下降，從而埋下安全隱患；另外，基礎(chǔ)剛度過(guò)高估計(jì)時(shí)，底層框架的柱底彎矩也不夠合理。這也就導(dǎo)致當(dāng)前絕大部分因?yàn)榈卣鹗軗p的高層建筑，框架結(jié)構(gòu)的破壞都是發(fā)生在框架的底層柱上端，破壞類型為彎曲破壞，而柱底卻未發(fā)生破壞，若底層較為空曠時(shí)，柱頭更容易出現(xiàn)損壞。

4.2 基礎(chǔ)剛度對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響

（1）基礎(chǔ)剛度和建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)系。首先，從理論角度上來(lái)講，高層建筑的剪切型結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，通常是由于整體樓層失穩(wěn)導(dǎo)致的，因此，基礎(chǔ)剛度對(duì)于剪切型結(jié)構(gòu)底層產(chǎn)生的影響較為明顯。而建立在有限基礎(chǔ)剛度的剪切型結(jié)構(gòu)底層臨界荷載的基礎(chǔ)上，可以考慮其中的重力二階效應(yīng)分析底層結(jié)構(gòu)測(cè)量位移增幅，由此可以定位具體的參數(shù)。

另外，上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會(huì)沿著豎向結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻分布，因此有限基礎(chǔ)剛度的彎曲形結(jié)構(gòu)臨界荷載，可以考慮基礎(chǔ)剛度和重力二階效應(yīng)的影響，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移增幅可以通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算。其中要分析計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)以及不同基礎(chǔ)剛度的影響系數(shù)，了解結(jié)構(gòu)剛重比以及側(cè)向位移增幅關(guān)系的曲線。

（2）高層建筑合適的基礎(chǔ)剛度?；A(chǔ)剛度作為客觀存在的一種要素，其數(shù)值不可能無(wú)窮盡的增大，但是，基礎(chǔ)剛度的大小也會(huì)導(dǎo)致建筑整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。因此在全面提升高層建筑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，還需要選擇建筑適合的基礎(chǔ)剛度，而這一適合的數(shù)值設(shè)定，往往需要要求建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度大于基礎(chǔ)嵌固。同時(shí)，要綜合建筑隔震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，采取科學(xué)的隔震手段，這樣能夠有效提升建筑的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要考慮基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用下產(chǎn)生的影響，并且扣除結(jié)構(gòu)整體平動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，當(dāng)前現(xiàn)行的規(guī)范依舊具有可行性，另外，引入基礎(chǔ)剛度方面，還需要考慮結(jié)構(gòu)剛度退化產(chǎn)生的一系列變化，這樣才可以定位適合不同高層建筑的基礎(chǔ)剛度。同時(shí)，要確保基礎(chǔ)剛度位于合適區(qū)間內(nèi)，這樣才可以提升建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及抗震性能。