目前正是我國地基基礎技術不斷發展的時期,各種新技術、新工藝不斷開發和推廣應用。如樁基礎、大直徑灌注擴底墩、深基坑支護等,都是比較先進的技術,有的已達國際先進水平。隨著地基基礎技術不斷發展,我國超高層建筑逐漸興起,而超高層建筑的受力分析比普通建筑要復雜得多。就拿風荷載來說,超高層建筑要承受側向的風荷載,高度越大,承受的風荷載越大,在風荷載作用下產生的晃動將越劇烈。據了解,芝加哥西爾斯大廈在大風情況下最大偏離中心可達6英尺(2m),據說他們裝了陀螺平衡裝置后可調到5英尺;上海金茂大廈的頂點位移按風洞試驗可達0.9~1.2m。由此可見,對于超高層建筑來說,研究它在風荷載作用下的晃動是十分必要的。而要研究它的晃動首先要研究它的自由振動特性,而地基基礎剛度的變化直接影響著超高層建筑結構的自振特性。鑒于上述理由,以高層建筑空間巨型框架結構為例,簡單淺析地基基礎剛度變化對超高層建筑結構自由振動特性的影響。
對于地基,按某種綜合等效彈性地基處理,也就是根據實際情況,將基坑底部與坑壁等效成不同的半無限彈性體。對于基礎,把它看成是上部結構的一部分,實際上,基礎是上部結構向地下的延伸。對于上部結構,空間巨型框架結構是由兩級框架構成,第一級為巨型框架(圖1),是承載的主體;第二級是位于巨型框架內的輔助框架,也起結構作用。巨型框架的截面幾何尺寸(面積、慣性矩等)特大,而輔助框架的截面尺寸又特小,二者不是同一數量級的。這種結構形式從結構方面說,具有承載力大、側向剛度好、有良好的延性及抗震性能的優點。
根據相關資料數據列表見表1~表3:
表1地基剛度變化時部分第一自振周期的變化
表2基礎剛度變化時部分第一自振周期的變化
表3橫截面尺寸改變時第一扭轉自振周期的變化
由以上列表可以總結出幾點:
(1)由表1可看出:當地基、基礎剛度比較接近時,隨基礎剛度增加,各方向自振周期逐漸減小。但當二者剛度相差太大時,則會出現自振周期無限長(即切入)的現象。可見在工程中,最好是地基、基礎剛度比較接近,這樣二者才能協調變形,共同工作;同時,當基礎剛度大于地基剛度時,各方向自振周期會更小一些。
(2)由表2可看出:當基礎剛度保持不變時,地基剛度有一個臨界值,其相對臨界值增加或減小各方向自振周期都逐漸減小,只是當地基剛度減小到一定程度時,各方向自振周期則顯著增大,而這個臨界值隨一級框架橫截面尺寸的減小而增大。同時還可以看出,當基礎剛度較大時,地基剛度的變化對各方向自振周期的影響不大,但一級框架橫截面尺寸的變化對各方向自振周期的影響比較明顯。
(3)由表1~表3可看出:地基、基礎剛度變化對扭轉自振周期幾乎無影響,但是結構系統橫截面和一級框架橫截面尺寸的改變對扭轉自振周期的影響則很明顯,隨著結構橫截面不對稱性的增加和一級框架橫截面尺寸的減小而顯著加長,所以在抗震設防中應該通過調整結構系統橫截面尺寸或一級框架橫截面尺寸來調整扭轉自振周期。