上部结构与地基基础共同作用的地基基础设计方法体系及实用软件研究

论文摘要

第一部分共同作用的地基基础设计理论研究1．在地基基础设计中，过分的钢筋配筋率造成资金和资源的巨大浪费。大量现场测试结果显示：基础底板钢筋应力的实测值要远远小于钢筋强度设计值，本论文对各种可能影响因素进行详细分析后得出结论：现行设计计算方法的不合理是造成基础底板钢筋应力实测值小于设计值的根本原因，能否考虑上部结构参加工作是最主要的影响因素。当高层建筑的高度接近或超过基础的长和宽尺寸时，其整体工作性状更接近于深梁。计算分析结果表明：每个楼层的结构梁和板的应力是由“整体弯曲”和“局部弯曲”共同作用产生。据此，提出利用简支深梁计算基础底板钢筋应力和减少实配钢筋面积的简化方法，并与一些工程实例进行对比。2．本论文通过5个工程实测结果和两个算例，定量地分析了结构形式为框剪、框架、剪力墙和筒体的上部刚度对基础变形、地基反力及底板钢筋应力的影响范围，进一步论证上部结构刚度的增长有一个临界高度（层数），上部刚度-层数关系曲线能客观地反映上部结构刚度由增加到趋于极限的过程。简支深梁差异变形、底部最大水平应力及差异水平应力随梁高变化曲线上存在三个转折点。利用高层建筑与深梁工作性状的一致性，可以将H=0.3L、0.5L、0.7L（H为基础底板以上结构高度，L为基础长度）作为判别剪力墙、框剪、框架结构刚度影响范围的界限高度；对于筒体及其它形式的超高层结构，还需进一步研究，目前，可将基础长度小于60m的筒体结构刚度影响界限高度初定为H=1.5～2.0L，基础长度大于60m的筒体结构刚度影响界限高度初定为H=1.0～1.5L，最多不超过100m。确定上部结构刚度的影响范围，既能丰富对共同作用机理的认识，又能减少整体计算的工作量。3．利用工程地质勘察报告提供的有限地质数据，合理地构造三维地质模型，可为上部结构与地基基础整体计算创造基本条件。本论文通过水平方向和深度方向的连续化处理，将整个场区的土体分割成连续的三棱柱体，可以通过线性差值，自动获得半无限空间内任意位置的土体物理力学指标，并能够自动构造出标准钻孔。第二部分共同作用的地基基础设计方法体系研究1．本部分系统地论述上部结构与地基基础共同作用整体设计的有限元方法，并作重要补充，提出解决“现行规范中基础内力和变形计算采用的荷载组合不统一”问题的具体方法，可以协调一致地整体计算基础变形与内力。2．提出上部结构与地基基础共同作用的简化计算方法，计算整体弯曲可采用“简化深梁法”，计算局部弯曲可采用“改进倒梁法”。还对常规的基础构件设计方法进行说明，提出一个自动判别钢筋混凝土内筒区域的方法，可帮助计算机自动完成内筒筒体对基础底板的冲切和剪切承载力计算。3．将基础施工图设计研究的重点放在提高计算机辅助设计的智能化和效率上，以减轻设计人员的工作强度。本论文在基础梁选筋归并、配筋平面图表示方法和基础梁模板自动布图三个方面提出独特思路。第三部分共同作用的地基基础辅助设计软件研究1．比较系统地说明建立计算模型时应考虑的内容和需要设置的软件功能。分析目前国内应用较多的相关软件特点及数据接口内容，为技术人员合理地选择提供参考。2．为提高上部结构与地基基础共同作用整体分析的效率，提出一个快速迭代方法，可以消除地基刚度矩阵满阵和不对称给计算带来的不便。对影响计算结果的计算参数也进行说明。3．对后处理中的计算结果可视化和参数化绘图等问题进行研究。总之，本论文的研究工作为上部结构与地基基础共同作用理论进行地基基础设计，提供比较全面、实用的方法体系和相应的软件，期望早日用之实践。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 上部结构与地基基础共同作用的研究现状及发展动态
• 1.1.1 国外的研究现状及发展动态
• 1.1.2 国内的研究现状及发展动态
• 1.2 地基基础设计方法的演变及存在的问题
• 1.3 选题初衷：让“共同作用设计方法”从理论的殿堂走向工程应用的田野
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 共同作用的地基基础设计理论研究
• 1.4.2 共同作用的地基基础设计方法体系研究
• 1.4.3 共同作用的地基基础辅助设计软件的研究
• 第一部分 共同作用的地基基础设计理论研究
• 第二章 基础底板应力的计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 工程实例基础钢筋应力测试结果
• 2.3 影响基础底板钢筋应力计算值的因素分析
• 2.3.1 上部结构与地基基础共同工作
• 2.3.2 基础底面和地基土接触面上摩擦力
• 2.3.3 作用在地下室外墙上的侧土压力
• 2.3.4 地基反力集中于柱下（墙下）
• 2.3.5 双向基础底板存在着扭曲作用
• 2.3.6 基础底板受拉一侧的混凝土并未开裂,与钢筋一起抗拉
• 2.3.7 基础端部的土体出现塑性变形
• 2.3.8 温度应力
• 2.3.9 底板钢筋应力设计时按上部荷载的设计值计算
• 2.3.10 忽略地下室纵（横）墙作为“腹板”的承载能力
• 2.3.11 施工过程中的影响
• 2.3.12 基础梁未按倒T形或L形截面受弯构件计算
• 2.3.13 取基础梁（板）“支座”,而不是“净跨”边缘的弯矩值进行设计
• 2.3.14 基础梁（板）未按双筋受弯构件进行计算
• 2.3.15 弹性计算方法的局限
• 2.4 上部结构与地基基础共同作用的底板钢筋应力简化计算方法
• 2.4.1 高层建筑与地基基础共同作用的受力特征
• 2.4.2 简支深梁的受力特征
• 2.4.3 结构与地基基础共同作用的水平应力与简支深梁水平应力分布相似性
• 2.4.4 上部结构与地基基础共同作用的底板钢筋应力的简化计算方法
• 2.4.5 算例
• 2.5 小结与建议
• 第三章 上部结构刚度贡献的影响范围
• 3.1 引言
• 3.2 上部结构形式为框架剪力墙时的刚度影响
• 3.2.1 工程实例1——北京工业大学基础教学楼,框剪结构
• 3.2.2 工程实例2——上海康乐路住宅,墙板结构
• 3.3 上部结构形式为框架时的刚度影响
• 3.3.1 工程实例3——保定冷库,框架结构
• 3.3.2 算例1
• 3.4 上部结构形式为剪力墙时的刚度影响范围
• 3.4.1 工程实例4——北京前三门604#住宅,剪力墙结构
• 3.4.2 算例2
• 3.5 上部结构形式为筒中筒时的刚度影响
• 3.5.1 工程实例5——陕西邮政电信网管中心大楼,筒中筒结构
• 3.6 上部结构刚度影响范围的简单判别
• 3.6.1 简支深梁弯曲变形、内力（应力）与梁高的关系
• 3.6.2 利用简支深梁判别上部结构的影响范围
• 3.7 考虑上部结构刚度影响的地基基础简化计算方法
• 3.7.1 简化计算方法的思路
• 3.7.2 基础底板变形与厚度的关系
• 3.7.3 筏板内力（应力）与厚度的关系
• 3.8 本章小结
• 第四章 三维地质模型的构造
• 4.1 引言
• 4.2 建筑场地的平面网格剖分
• 4.2.1 原则
• 4.2.2 剖分的起点
• 4.2.3 构造第一个三角形单元
• 4.2.4 构造连续的三角形单元
• 4.3 三维地质模型
• 4.3.1 连接主层分界线
• 4.3.2 土层排序
• 4.3.3 扩大层数
• 4.3.4 土层连线
• 4.3.5 内插和外插数据
• 4.3.6 少于3个钻孔时的数据提取
• 4.3.7 人工干预
• 4.3.8 构造标准钻孔
• 4.4 算例
• 4.4.1 算例1
• 4.4.2 算例2
• 4.5 本章小结
• 第二部分 共同作用的地基基础设计方法体系研究
• 第五章 上部结构、地基基础的整体计算
• 5.1 引言
• 5.2 上部结构与地基基础共同作用的计算方法
• 5.2.1 上部结构与基础的刚度矩阵
• 5.2.2 地基的刚度矩阵
• 5.2.3 荷载向量
• 5.2.4 共同作用的矩阵表达式
• 5.2.5 保证基础内力和变形计算时荷载组合的一致性
• 5.3 上部结构、桩、土、承台共同作用的计算方法
• 5.3.1 上部结构与承台的单元刚度矩阵
• 5.3.2 桩-土体系的刚度矩阵
• 5.3.3 荷载向量
• 5.3.4 共同作用的矩阵表达式
• 5.3.5 保证基础内力和变形计算的荷载组合一致性
• 5.4 本章小结
• 第六章 基础构件的设计计算
• 6.1 引言
• 6.2 上部结构与地基基础共同作用的简化计算方法
• 6.2.1 整体弯曲计算——简支深梁法
• 6.2.2 局部弯曲计算方法1——改进倒梁法
• 6.2.3 局部弯曲计算方法2——倒楼盖法
• 6.2.4 《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）的规定
• 6.2.5 《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）的规定
• 6.3 基础梁计算
• 6.3.1 正截面受弯承载力计算
• 6.3.2 斜截面受剪承载力计算
• 6.3.3 局部受压承载力计算
• 6.3.4 裂缝控制验算
• 6.4 基础底板（筏板）计算
• 6.4.1 正截面受弯承载力计算
• 6.4.2 斜截面受剪承载力计算
• 6.4.3 受冲切承载力计算
• 6.4.4 局部受压承载力计算
• 6.4.5 裂缝控制验算
• 6.5 桩身承载力与抗裂计算
• 6.5.1 桩身受压承载力计算
• 6.5.2 桩身局部压曲验算
• 6.5.3 锤击压应力验算
• 6.5.4 锤击拉应力验算
• 6.5.5 桩身裂缝宽度验算
• 6.5.6 桩身吊运计算
• 6.6 承台梁计算
• 6.6.1 受弯承载力计算
• 6.6.2 受剪承载力计算
• 6.7 筏形承台（板）计算
• 6.7.1 受弯承载力计算
• 6.7.2 受剪承载力计算
• 6.7.3 受冲切承载力计算
• 6.7.4 局部受压承载力计算
• 6.8 钢筋混凝土内筒对筏板（筏形承台）的冲、剪切计算
• 6.8.1 底板的冲切破坏及影响因素
• 6.8.2 筏板（筏形承台）上的荷载
• 6.8.3 规范对内筒下筏基（筏形承台）受冲切、剪切承载力要求
• 6.8.4 存在的问题
• 6.8.5 如何自动判别“内筒”
• 6.8.6 算例
• 6.9 本章小结
• 第七章 基础施工图设计
• 7.1 引言
• 7.2 基础梁（承台梁）的归并选筋
• 7.2.1 模板（几何特征）归并
• 7.2.2 钢筋的归并
• 7.2.3 选筋
• 7.3 筏板（筏形承台）的选筋归并
• 7.3.1 选筋
• 7.3.2 归并
• 7.4 基础梁（承台梁）施工图设计
• 7.4.1 模板施工图
• 7.4.2 图表施工图
• 7.4.3 平面整体配筋施工图
• 7.5 基础平面施工图设计
• 7.5.1 概述
• 7.5.2 图幅
• 7.5.3 绘图比例
• 7.5.4 组图方式
• 7.6 桩施工图设计
• 7.7 本章小结
• 第三部分 共同作用的地基基础辅助设计软件研究
• 第八章 建立计算模型（前处理）
• 8.1 相关软件的应用现状及特点分析
• 8.1.1 上部结构空间分析软件
• 8.1.2 地基基础计算软件
• 8.1.3 工程地质勘察软件
• 8.2 数据接口
• 8.2.1 建立数据接口的意义
• 8.2.2 读入常用的上部结构计算软件数据
• 8.2.3 读入DWG图形文件数据
• 8.2.4 读入常用的地质勘察软件数据
• 8.3 上部结构布置
• 8.3.1 布置轴线
• 8.3.2 布置梁
• 8.3.3 布置柱
• 8.3.4 布置墙
• 8.3.5 布置楼板
• 8.3.6 布置荷载
• 8.3.7 楼层编辑
• 8.3.8 生成计算模型
• 8.4 地质勘察资料输入
• 8.4.1 输入标高
• 8.4.2 输入各层土的物理、力学指标
• 8.4.3 输入钻孔
• 8.4.4 连接地质剖面
• 8.4.5 生成三维地质模型
• 8.5 基础布置（设计）
• 8.5.1 选择桩型
• 8.5.2 确定单桩承载力
• 8.5.3 试算桩数
• 8.5.4 布置桩
• 8.5.5 选择承台形式
• 8.5.6 布置筏基梁（筏形承台梁）
• 8.5.7 布置筏板（筏形承台）
• 8.5.8 布置基础荷载
• 8.5.9 生成计算模型
• 8.6 本章小结
• 第九章 地基基础计算
• 9.1 总体控制
• 9.2 地基承载力计算
• 9.3 桩基承载力计算
• 9.3.1 竖向承载力计算
• 9.3.2 抗拔承载力验算
• 9.3.3 水平承载力计算
• 9.3.4 桩身承载力与抗裂计算
• 9.4 软弱下卧层验算
• 9.5 上部结构与地基基础共同作用整体计算
• 9.5.1 快速迭代法
• 9.5.2 计算方法的选择
• 9.5.3 参数的选取
• 9.6 上部结构、桩、土、承台共同作用整体计算
• 9.6.1 计算方法的选择
• 9.6.2 参数的选取
• 9.7 基础强度计算
• 9.7.1 基础梁计算
• 9.7.2 基础底板（筏板）计算
• 9.7.3 计算参数的选择
• 9.8 承台计算
• 9.8.1 承台梁计算
• 9.8.2 筏形承台（板）计算
• 9.8.3 计算参数的选择
• 9.9 本章小结
• 第十章 后处理
• 10.1 输出原始数据
• 10.1.1 输出几何数据
• 10.1.2 输出荷载数据
• 10.1.3 输出计算简图
• 10.1.4 数据输出的形式
• 10.2 输出计算结果
• 10.2.1 地基承载力计算结果
• 10.2.2 桩基承载力计算结果
• 10.2.3 软弱下卧层验算结果
• 10.2.4 上部结构与地基基础共同作用整体计算结果
• 10.2.5 上部结构、桩、土、承台共同作用整体计算结果
• 10.2.6 基础强度计算结果
• 10.2.7 承台计算结果
• 10.2.8 数据输出的形式
• 10.3 计算结果的归并和选筋
• 10.3.1 基础梁（承台梁）的归并选筋
• 10.3.2 筏板（筏形承台）的选筋归并
• 10.4 绘制施工图
• 10.4.1 参数化绘图
• 10.4.2 图形编辑
• 10.5 本章小结
• 第十一章 结论与展望
• 11.1 主要结论
• 11.1.1 关于上部结构与地基基础共同作用设计理论
• 11.1.2 关于上部结构与地基基础共同作用设计方法
• 11.1.3 关于上部结构与地基基础共同作用辅助设计软件
• 11.2 上部结构与地基基础共同作用设计方法的展望
• 11.2.1 设计规范有待充实完善
• 11.2.2 推广利用简化计算方法
• 11.2.3 大力发展辅助设计软件
• 11.2.4 深化理论与方法的研究
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的著作、论文及其他工作
• 致谢