对框架结构基础设计的分析

　　摘要：框架结构基础设计是整个框架结构建筑设计的重要组成部分，做好这部分的工作可以有效的引导相关施工单位进行科学合理的分析。文章将就框架结构基础的设计进行分析。
　　关键词：框架结构；设计；基础
　　对框架结构基础设计进行分析，是所有有框架结构的工程进行施工的基本工作，相关设计人员必须要在工程的实际情况上，根据既有原理，选择相应的设计方法，设计出适合工程进展的设计方案。
　　一、基础的类型及其选型
　　框架结构对基础的要求是比较高的，首先其必须要满足承载力要求，同时又必须要有足够的刚度，以便可以调节可能出现的地基不均匀沉降。从基础的作用上看，其主要是承担将上部结构的荷载可靠地传递给地基的作用。从其形式上看，多层房屋常用的基础的形式有独立基础、条形基础、十字形基础、片筏基础、箱形基础和桩基础。前5种基础称为浅基础，桩基础属于深基础。
　　如果层数不多、荷载不大，同时场地的土地质条件较好，地基承载力较高，土层分布均匀时，柱下独立基础也适用于多层框架结构；而如果柱距、荷载都是较大，或者地基承载力不是很高时，采用单个基础的底面积将会很大，这个时候就可以把单个基础在一个方向连成条形，进而做成柱下条形基础。与独立基础相比，条形基础的优势是可以适当调节地基可能产生的不均匀沉降，这样就很好的减轻不均匀沉降，对上部结构所造成的危害。所以，柱下条形基础常做成肋梁式的，因为其可以保证一定的底板面积，同时最大限度的又增加基础的刚度，以及其调节地基不均匀沉降的能力。在选择横向框架承重方案时，应该考虑在横向布置条形基础上，纵向则布置构造连系梁，也就是说让条形基础的布置方向与承重框架方向一致；而对于纵向框架承重方案，在纵向布置条形的基础之上，应该可以横向布置构造连系梁。
　　假如房屋设有地下室，可以将地下室底板、侧板和顶板连成整体，同时设置一定数量的隔板，形成箱形基础。刚度大，调节地基不均匀沉降的能力强是箱形基础的特点。要特别指出的是，为了形成整体工作，隔墙是箱形基础必不可少的组成部分。假如没有隔墙，那地下室的底板按一般片筏基础设计；顶板按一般楼盖设计；侧板则按承受土压力的板设计。
　　当使用片筏基础后，地基的承载力和变形还是无法满足要求，就需要采用桩基础将上部荷载传至较汀的持力层。高层建筑的主要基础形式是桩基础，当然有时结合地下室，也会采用桩——箱复合基础。通常情况下，浅基础的工程造价比深基础低，但也不是绝对的，当持力层较深时，为了减少挖土量，多层房屋使用桩基础往往会是较为经济的方案。场地土的工程地质情况、上部结构对地基不均匀沉降的敏感程度、上部纠陶荷载的大小以及现场施工条件等因素，是基础类型选择时需考虑的。
　　二、条形基础设计
　　（一）条形基础的内力分析
　　(1)确定基底反力和基础底面尺寸
　　如果采用文克勒地基模型，加上刚性基础假定，我们可以推出基底反力为线性分布：设条形基础的长为L，宽为B，根据基础的平衡条件(基底反力的合力和合力点位置必须与上部荷载相同)，可以得到基底反力的最大值和最小值。
　　(2)静力法
　　一般情况下，沿长度方向等截面的基础梁，其自重和覆土重，通常不可能在梁内形成弯矩和剪力，所以在进行基础内力分析时，当然基底反力采用不包括基础自重和覆土重的净反力。基础梁在基底净反力和柱子传来的竖向力、力矩作用下，可利用理论力学中的截面法求出任一截面的弯矩和剪力。比如说可以选取若干个截面进行计算，然后绘制弯矩图、剪力图。
　　(3)倒梁法
　　倒梁法将基础梁作为以柱子为铰支座的连续梁，使用结构力学中力法、位移法或弯矩分配法可以有效的计算。通常来说，用倒梁法计算所得的支座反力不一定等于上部柱子传来的竖向荷载。也就是说在上部结构与基础之间，不满足力的平衡条件，计算结果应该要进行调整。在实际施工中中，我们往往是通过调整局部基底反力来消除这种差异。基底反力的调整值，一般是把支座反力与轴力间的差值，均匀分布在相应支座两侧各1／3跨度范围内，然后再进行一次连续梁分析。假如调整后柱子轴力与支座反力存在较大的差异，应该继续调整，直到两者基本平衡。
　　(4)静力法与倒梁法的比较
　　对于同一个基础梁，采用静力法和倒梁法计算的结果是不一样的，当然也让有一致的时候，即当用倒梁法计算出的支座反力未经调整刚好等于柱轴力时，两者一致。静力法的适用情况：当层数较少，楼盖刚度较小时，上部结构的刚度较小时；反之，当层数较多，楼盖刚度较大时，上部结构的刚度较大，倒梁法就比较合适了。当然在实际工程中，其上部结构刚度既不是绝对柔性，也不是绝对刚性，必要时可参考上述两种简化计算结果的内力包络图进行截面设计。
　　如前所述，基础与上部结构之间力的平衡和变形协调，是任何基础分析模型都必须要满足的条件。在这方面，静力法和倒梁法的途径是不一样的。静力法通过将柱子内力直接作用于基础，来满足力的平衡。根据上部结构柔性假定，柱子自动具有与接触点基础梁相同的变形。倒梁法的柱与基础交接，使基础在铰接点具有与柱相同的变形；而力的平衡是通过不断调整局部基底反力来满足的。
　　（二）条形基础的截面设计
　　条形基础的截面设计主要由肋梁和翼板构成。肋梁需进行受弯承载力计算、受剪承载力计算和抗冲切承载力计算，肋梁的冲切破坏面。翼板需进行受弯承载力计算和抗冲切承载力计算。底板抗弯计算时，翼板冲切破坏面。肋梁的弯矩和剪力由上面的基础内力分析得到，翼板的弯矩可按以肋梁为固定端的悬臂板计算，
　　三、基础分析模型
　　其实上部结构、基础和地基共同作用，是一个整体，从理论上将三者作为一个整体进行分析是较为理想的，但是在实际的工作中为了减轻计算工作量，我们可以适当的采用简化分析模型，也就是把上部结构与地基基础分开进行分析。
　　（一）地基模型
　　对地基沉降与基底压力之间关系的描述就是地基模型。地基的模型的种类很多，使用最广泛的最简单的地基模型是文克勒模型。这种模型假定地基上某一点所受到的压强与该点的地基沉降成正比，其比例系数称为基床系数。在这样假定之下，任一点的沉降只是和该点受到的压强有关，但是与其它点的压强无关，也就是说起实际上是忽略了地基土的剪应力。
　　该模型忽略了剪应力的存在，那就是说该模型地基中的附加应力，一般是不可能向四周扩散分布的，这就不可能使基地以外的地表发生沉降，但是这样的现象实际上是不符合实际情况的。但是该模型简单，目前仍相当普遍地使用。对于厚度不超过基础宽度一半的薄压缩层地基较适用于这种模型。
　　另一种较为常用的地基模型是半空间地基模型。这种模型的理论前提是，将地基假定为半无限空间匀质弹性体，地基上任意一点的沉降与整个基底反力的分布有关。这种弹性半空间模型，与前一种模型相比，考虑应力和变形的扩散，但计算的准确性存在问题，其所得的沉降量和地表的沉降范围往往会超过实测的结果。通常情况下，这是由于实际地基的压缩层厚度都是有限的造成的。
　　（二）基础模型
　　当前，大部分的基础的解析分析，基本上都是建立在文克勒地基模型上的。如果对上部结构、基础和地基进行整体数值分析，那通常可以采用其它地基模型。基础的分析模型主要与地基模型、基础和上部结构有关。举例来说，刚性基础模型是假定基础刚度相对于地基为无限大，因而地基发生沉降后，基础仅发生刚体位移，即基础的沉降沿水平方向线性分布。由于总是假定基础与地基保持接触，即满足变形协调条件，所以地基沉降沿水平方向也应该是线性分布的。根据文克勒地基假定，基底反力必定是线性分布，这时可以由静力方法平衡条件确定地基反力分布。
　　四、结束语
　　总之，在实际的工作中，设计人员必须要对框架结构基础设计进行有效的分析，确保所用理论和科学性，同时保证设计方案的有效性。只有在科学有效的设计方案指导下，才能够保证工程的整体质量。
　　
　　参考文献：
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　　[3]李媛萍，江宜城.异型柱框架体系设计中轴压比的调整[J].暨南大学学报(自然科学与医学版)，2004年01期

《对框架结构基础设计的分析》

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