房屋建筑上部结构与地基基础的共同作用分析

摘 要：上部结构-基础-地基这三部分之间相互影响、相互联系、相互作用，在进行建筑项目设计的时候必须要充分意识到实际工况和设计方案之间的差异情况，综合考虑多种因素。在本文中，笔者结合自己的专业知识，综合分析并探讨了房屋建筑上部结构与地基基础的共同作用的相关问题。

关键词：房屋建筑；上部结构；地基；基础；作用关系

1. 前言

不论是在高层建筑、水利大坝研究领域中，还是在地下结构、大型桥梁结构研究领域中，上部结构-基础-地基的相互作用问题已经了成为了一个研究热点课题。每一个结构完整的房屋建筑都是由上部结构-基础-地基这三部分构成的，它们之间的相互作用成为了今天进行房屋建筑设计的关注重点内容之一。但是在以往，忽视上部结构-基础-地基的相互作用的情况非常常见，当时在计算的时候仅仅是把房屋建筑的上部结构当做是柱底固定的独立结构，因而导致依照设计方案施工的房屋建筑在受力状态和变形情况方面与现实工况之间存在着较大的区别，不是降低了房屋建筑的稳定性和可靠性，便是提高了房屋建筑的成本和费用。正是基于以上考虑，非常有必要采用一种可靠、有效、方便、实用的理论分析方法和数值分析模型，厘清房屋建筑上部结构与地基基础的共同作用机理，提高房屋建筑的设计水平。

2. 房屋建筑的常规设计方法及其存在问题

2.1 房屋建筑的常规设计方法

房屋建筑常规设计方法没有充分认识到建筑上部结构-基础-地基之间的相互作用关系，而是将这三个看作是一个个相互独立的结构单元进行相关的力学分析和数值计算。例如，在进行建筑上部结构的数值计算时没有综合考虑建筑基础和和建筑地基的刚度问题，或者是在进行建筑地基沉降计算和建筑地基承载力验算时没有充分考虑上部结构的刚度问题。

2.2 房屋建筑常规设计方法存在的问题

采用常规设计方法计算出来的房屋建筑基础的内力偏大而上部结构的内力偏小，尽管采用常用设计方法获得的数值满足静力平衡要求，但是建筑上部结构-基础-地基之间受荷前后的变形连续性却没有被体现出来。实际情况是，建筑荷载所导致的变形应力是由上部结构-基础-地基构成的一个完整整体来共同承担，这三部分之间的刚度应力能够很好地制约变形应力，进行达到建筑内力和变形平衡。

3. 基础刚度的影响

基础内力随自身刚度增加而增加，这并不一定是坏事，有时特意把板做厚，目的是分担上部结构的力矩，尤其当上部结构是柔性结构时，基础宜柔不宜刚。若上部结构为框架结构，并有高压缩性地基，则基础宜刚。基础将上部结构的荷载传递给地基，在这一过程中，通过自身的刚度，对上调整上部结构的荷载，对下约束地基变形，从而使上部结构、基础和地基形成一个共同受力，变形协调的整体。在体系工作中，基础起承上启下的关键作用。

首先，若基础是完全柔性的，荷载传递则不受基础的约束，也无扩散作用，柔性基础将产生与荷载分布相同、大小相等的地基反力。

其次，若基础是绝对刚性的，则基础不弯曲，各点沉降相同，基底反力向两侧边缘集中。

最后，若基础是有限刚性体，则基础产生一定程度挠曲，地基土也产生相应变形。实际上反力的分布曲线的形状决定于基础与地基的相对刚度。基础刚度越大，地基的刚度越小，则基底反力向边缘集中的程度愈高。

3. 上部结构-地基基础共同作用的有限元分析

3.1 有限元法概述

有限元分析法的前身是上个世纪盛行于航空工业当中的关于飞机结构的矩阵分析法。所谓的矩阵分析法主要是将一个完整结构视为一个集合体，而该集合体由有限个力学小单元相互连接构成，我们可以把表征单元力学特性的刚度矩阵形象地比作房屋建筑结构的一块块方砖，将它们集成为一个整体便可以提供出该“房屋建筑”中的力学特征。假设力学小单元符合问题的收敛标准，则在力学小单元尺寸逐渐缩小的过程中，求解区域内的力学小单元数目便会逐渐增加，进而不断改进了解的近似程度，最后使得近似解无限趋近于精确解。

有限元分析方法存在着较多的优点，例如：首先，掌握概念的难度较低。有限元分析法既能够建立起以严格数学分析为基础的理论模型，也可以通过非常形象生动的物理概念来理解。其次，有限元分析法具有非常广泛的适用范围，一般而言，所有的场问题和连续介质求解都可以采用有限元分析法。最后，有限元分析法能够充分借助计算机优秀的逻辑计算能力优势，这是因为有限元分析法的表达为矩阵形式，所以在计算机编程方面具有一定的优势。

3.2 有限元法基本步骤

有限元法分析问题的基本步骤：首先，结构的离散化。离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元体间设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，采用若干个单元组成的集合体来模拟原结构。其次，选择位移插值函数。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假设，即假定位移是坐标的某种简单的函数。最后，分析单元的力学特性。利用几何方程、本构方程和变分原理最终得到单位刚度矩阵。

4. 结束语

不论是何种类型的建筑均是由上部结构-基础-地基这三部分构成的，它们共同构成了一个完整的建筑整体。本文简单总结分析了房屋建筑传统设计方法及其存在的不足和问题，强调了忽视上部结构-基础-地基共同作用的危害，同时给出了目前广泛用于房屋建筑上部结构-地基-基础共同作用的方法，即有限元分析法，探讨了该方法的特点和计算步骤，并介绍了一款基于有限元软件，希望能够为有关人士提供有益的参考和借鉴。

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