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摘要：本文采用有限元方法研究了高层建筑上部结构-桩筏基础-地基的相互作用和影响。研究表明：增加筏板的厚度，对基础的沉降是有利的，可以减少一定的基础差异沉降和最大沉降值，增加地基土的荷载分担比；若地基土变形模量增加，地基土分担的上部荷载增加，桩顶的反作用力将趋于平均；随着房屋高度的增加，基础的整体沉降和差异沉降呈现出非线性趋势，土体对荷载的分担比增加，桩的分担比降低；随着筏板和上部结构组成的结构体系整体刚度增加，荷载更趋于集中在角桩和边桩上；
关键词：上部结构；桩筏基础；地基；共同作用；有限元；
0引言
高层建筑的上部结构、基础和地础是一个有机整体，三者共同作用。工程界部分设计人员进行设计时常采用的方案是分别计算上部结构和基础模型。在建筑结构设计时，上部结构内力分析时未考虑基础差异沉降，将基础视为绝对刚性体；在基础的设计中，不考虑基础土的承载力，假设荷载都由基础承载，上部荷载分布在各桩上。实际工程表明，基础的差异沉降是普遍存在的，差异沉降改变了筏板底部反作用力，桩顶反作用力的分布以及上部结构的次生应力。因此，进一步研究高层建筑上部结构和桩筏基础与地基的相互作用，对高层建筑设计安全性经济性具有重要意义。
2002年，贺武斌等人[1]进行了群桩试验，研究了群桩基础中承台、桩和土体的共同作用，并对工程实践提出了一些建议。2010年，张忠苗等［2］通过现场实测分析某工程，表明采用共同作用设计方案的工程，建筑物沉降较小且较为均匀，能满足使用要求。它还表明数值分析方法可用于解决工程问题。2013年，韩小雷[3]研究了复合地基-筏板基础-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析。2017年，周峰等［4］采用数值计算方法模拟分析了桩筏基础桩土共同作用，分析结果与现场试验数据进行比较，验证了数值分析的合理性和可靠性。
1共同作用模型的建立
该模型的案例是一幢16层的高层建筑。框架柱的横截面尺寸为0.70m×0.70m，梁横截面尺寸为0.30m×0.60m，楼板厚度为0.12m；梁板柱砼等级为C30；采用桩筏基础，桩均匀排列。主要参数为：桩径1m，桩长15m，桩间距4.5m，筏板厚度为1.2m，悬出长度2m；场地地质条件参数为：地表至5.0米深的范围内为稍密土，可塑质粘土在5.0-10.0米深的范围内，中密粉土在10.0-14.0米范围内，硬塑粉质土低于14米。地下水位在地表以下6.0m。
采用ANSYS有限元程序进行整体建模。上部结构和桩筏基础设置为线弹性体，土体设置为连续弹塑性体。为减小模型边界效应，桩端距离模型底两倍桩长，即模型土体边界纵向取至桩端平面以下30米处，水平方向取至桩边缘外侧15米。在X和Y方向施加约束，底部施加固定约束，顶部不施加约束为自由面。在前人研究成果[5~7]的基础上，根据下文分析需要，通过改变模型来分析相互之间影响。
2模型分析过程
2.1调整筏板厚度的影响
不改变上部结构模型和其他参数，筏板的厚度分别取为0.7、1.2、1.7、2.2米，计算上部结构作用下的基础最大沉降量。计算表明，地基土的荷载分担比逐渐增大，桩荷载分担比逐渐减小，最大沉降量逐渐减小。
因地基土沉降导致筏板和上部中柱共同沉降，导致上部结构的中柱轴向应力快速减少，外围柱轴向应力增加。当筏板厚度从0.7m逐步增加到2.2m时，筏板厚度增加，筏板自身相对刚度增加，中心部位桩顶反力减小，而边桩角桩的桩顶反力会增大，整体而言，桩顶反力会更加均匀，有利于所有桩更均匀地发挥作用。
2.2调整地基土变形模量的影响
在有限元模型分析中，只改变地基土的变形模量来分析沉降的影响。变形模量增加时，计算结果显示筏板的最大沉降量会减小，桩的分担负荷将减少。这种趋势不是线性的，当变形模量大到一定值时，沉降趋势趋于平缓，地基土变形模量对沉降的影响是有限度的。地基土的变形模量越大，桩顶反力越趋于平均。
2.3调整上部结构的影响
为分析上部结构对基础的影响，改变模型中结构楼层数，反复进行计算，观察上部结构变化造成的影响。上部楼层数逐渐增加，显然上部结构的总自重和楼板活载荷随着楼层逐层的增加而增加，并且风荷载对上部结构的影响也会变化。随着上部楼层数的增加，筏板中心区域最大沉降值逐步增大，但是最大沉降量增量值先增加后逐步减少，最后增量值趋于稳定。这表明上部结构荷载、作用和刚度变化对沉降是有影响的，但这种影响是非线性的。
模型中结构楼层数逐渐增加，分析桩土的荷载分担比，可见桩的荷载分担比逐渐降低，土体的荷载分担比增大，最终桩土分担比将逐渐趋于稳定。原因是当上部结构荷载不大时，由于桩土刚度差异大，大部分上部荷载由桩承载；随着上部结构荷载不断增加，桩顶荷载达到了工程桩的承载力特征值后，地基土更多的参与分担上部荷载，土体的荷载分担比会逐渐增大。
另一方面，随模型中结构楼层数逐渐增加，角桩和边桩的桩顶反力与中桩的桩顶反力的比值都呈现出先增加后逐渐趋于稳定的结果。因上部楼层数增加，上部荷载增加，导致基底反力也随之增大。由于筏板和上部结构组成的体系的刚度随着楼层数的增加而增大，筏板面为保持自身平面状态，桩顶反力由中间部位向周边转移。这种架越作用若整体刚度越大，则作用越明显。
3结论
1）本文采用有限元分析软件ANSYS对上部结构-桩筏基础-地基的相互作用进行了分析，通过改变模型参数，反复计算模型，来分析三者相互之间影响。
2）增加模型筏板的厚度，筏板的最大沉降量减小，并且地基土的荷载分担比增大，桩体荷载分担比降低。
3）地基土变形模量的变化会引起地基沉降和沉降差异的变化。地基土的变形模量增加，基础的最大沉降将减小，地基土分担上部荷载相应增大，但当变形模量大到一定值时，沉降趋势趋于平缓。
4）随着模型楼层数的增加，筏板最大沉降量增量值先增加后逐步减少，最后趋于稳定。随着上部结构的刚度增加，荷载分布倾向集中于角桩和边桩。
参考文献：
[1]贺武斌，贾军刚，白晓红，等．承台—群桩—土共同作用的试验研究［J］．岩土工程学报，2002，24（6）：710-715．
[2]张忠苗，张乾青，李建华．采用桩土共同作用的浙江省第一医院医技楼现场实测分析．岩石力学与工程学报，2010，29（4）：833-841.
[3]韩小雷，肖成安，英峻豪．地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析［J］．岩土力学，2013，34（3）：762-769
[4]周峰，朱锐，郭天祥，等．可控刚度桩筏基础桩土共同作用的工程实践［J］．岩石力学与工程学报，2017，36（12）：3075-3084．
[5]尚晓江．ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］．北京：中国水利水电出版社，2008．
[6]郝文化．ANSYS土木工程应用实例［M］．北京：中国水利水电出版社，2005．
[7]王新敏．ANSYS工程结构数值分析［M］．北京：人民交通出版社，2007．