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上部结构刚度改变对桩筏基础的影响初探

作者：谢军周洪康

来源：《中国新技术新产品》2016年第21期

摘要：在传统的桩筏基础设计过程中，有的设计人员没有充分考虑到上部结构刚度的变

化，导致边桩实际承载力超出了设计的承载力，从而影响整体结构的稳定性。因此，本文结合

实际情况，分析上部结构刚度改变对桩筏基础的影响。

关键词：上部结构；桩筏基础；影响

中图分类号：TU473文献标识码：A

随着建筑行业的发展，桩筏基础施工在实际施工过程中得到了广泛的应用。在对高层建筑

结构设计分析中，主要采用上部结构与桩筏基础分开研究，不仅要考虑到二者的力平衡关系，

还要考虑到位移协调关系。在实际桩筏基础分析过程中，要结合实际情况，采用合理的方法进

行相应的变形和强度验算，保证高层建筑与桩筏基础之间的协调。

一、上部结构刚度改变对桩筏基础的影响

在通常情况下，上部结构的刚度矩阵可以采用多种建立方法，具体包括有限差分法、有限

单元法、解析方法等。在实际过程中，计算人员可以结合变形协调和地基的刚度矩阵。还可以

结合建筑物的性质和特点利用有限差分法、有限单元法建立刚度矩阵。但是根据传统的方法，

主要结合力学结构法，建立柔度矩阵，再根据求逆的方法，得到模型的刚度矩阵，从而与上部

结构的刚度矩阵进行结合，从而反映出地基的沉降情况。在具体分析过程中，计算人员可以结

合实际情况，不断简化分析上部结果。

随着我国建筑行业的迅速发展，桩筏基础方法不断被优化，上部结构刚度改变对桩筏基础

影响已经获得不小的成就。随着计算机技术的应用，波前法、结构法以及分块分解法得到了广

泛的应用，可以有效消除计算机储存量小于高层建筑结构之间的问题，可以真实地反映高层建

筑在施工过程中，随着层数的增加，上部结构与基础荷载之间的变化。

二、建筑上部结构优化设计

在通常情况下，建筑工程主要包括上部结构和地基基础两个部分。尤其在高层建筑工程施

工过程中，上部主体结构的安全性主要取决于自身构件的强度和桩筏基础的稳定性。在通常情

况下，目前主要采用有限元分析法，这种方法受到建筑行业的普遍认可，成为当前高层建筑领

域重要的数据分析工具。

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第一，整体优化设计研究。在进行连续建筑上部结构设计过程中，截面优化设计理论得到

有效发展。就目前而言，连续性变量上部结构理论研究主要表现在局部优化和形状优化等方

面。另外，离散变量建筑上部结构发展速度比较慢，也是当前需要解决的重要问题。

第二，非线性离散性变量结构优化设计。在通常情况下，建筑上部结构优化设计方法具体

表现在以下几个方面：首先，数学规划基本法，具体包括布格朗日乘子法、函数法以及可行方

向法。其次，最优准则法，就是在建筑上部结构设计过程中，选择最优的设计方法，必须要满

足最优的准则，在这些准则下，完成迭代公式，从而得出正确的结论。

三、桩筏基础优化设计

对桩筏基础而言，在实际过程中发挥着重要作用，可以有效地控制建筑物的沉降，提升地

基基础的承载能力，避免出现过大沉降。在通常情况下，桩筏基础沉降量主要包括桩体的压缩

量、桩端对下卧土层的压缩量以及下卧土层的压缩量。

（一）桩筏基础设计。

在进行1.桩长和桩身断面选择过程中，桩长要尽量选择穿过压缩性的土层；对桩身断面，

要控制好桩身的强度，保证单桩容许承载力与地基土对桩身的承载力相匹配。

在确定承台埋深尺寸2.过程中，要保证外荷载全部由承台的极限承载力具有一定的安全储

备，最大限度地消除安全隐患，再确定承台的埋深和尺寸，对承台的初步尺寸进行验算，进行

适当地调整。

在计3.算不同用桩数量的桩基沉降过程中，要结合开始确定的承台埋深和地面尺寸，结合

施工的具体情况，确定不同的用桩数量方案，然后分别计算沉降量，得到沉降与桩数之间的关

曲线，从而确定减沉桩基础的桩距，保证建筑的竖向荷载对应相应的桩数。

设计4.人员要结合建筑物容许沉降量确定桩数，根据沉降与桩数的曲线，按照容许的沉降

量确定实际用桩量。

（二）变刚度调平设计

在进行高层桩筏基础设计过程中，通常采用均匀等长和等直径分部的桩。但是在实际应用

过程中，虽然有的桩数不少，但是在存在单碟沉降。因为地基属于一个三维形状，在各个点相

互作用下，对某一点的荷载就会