上部结构与土体共同作用的影响因素
地基基础设计中的土与结构共同作用问题分析
中图分类 号 ： ＴＵ４ 文献 标识 码 ： ３ Ｂ
地 基 基 础 设 计 中 的 土 与 结 构 共 同 作 用 问题 分 析
吴 强
（ 工 部 福 州 地 质 工程 勘 察 院 ， 建 福 州 ３０ １ ） 化 福 ５０ ３
摘
要： 在常规 的地基基础设计过程 中， 上部 结构和基础往往被作为 两个独立 的单元进行 考虑 ， 种设计 方法没有考虑 这
柱 和 边 跨 梁 柱 尤为 明显 ， 至 出现 严 重 开 裂 。相 反 ， 础 的 内 力 甚 基
１ １ 土与结构共 同作用的定义 ． 共同作用概念源于 高层建 筑与 地基 基础共 同作用 （ 即是把 高层建筑 、 基础和地基（ 有桩基 础包括 桩） 三者看成 一个整体 ， 并 要满足地基 、 基础与上部结构三 者在接触 部位 的变形协调条 件。 而地基基础的共同作 用是指 ： 地基土 与基 础 （ 种类 型的桩 ， 各 包 括： 柔性桩 、 半柔性桩 、 刚性桩等 ） 同承担上 部结构荷 载 。地基 共 土与基础 之间的荷载 分担 比是根据 基础 变形 协调 条件 确定 的。 由此 可以看出 ： 用沉 降控制来 设计 地基 基础 正 是地基 基础 共同 作用 概念的具 体运用 ， 地基 处理 或基础 加 固就 是视基 础沉 陷量 大小 的控 制要求确定地基补强 的程度 和发挥原地 基土 承载 力的
整体分析提 出了一些计算程序 和计 算方法 ， 比如子结构 方法 、 波 前法和分块求解法等 。对共同作用 的机理 和规律有 了一定 的认 识 ， 出了一些指导设计 工作 的结论 ， 得 如我国《 高层建筑箱形基础 设计与施工规程 ）Ｊ Ｊ－ ８ ） ） Ｇ ６ ０ 中明确规 定 ， 箱形基 础设计 时应 （ 在 适 当考虑地基基础与上部结构的 共同作用 以及与邻 近建筑 的互 相影响 ， 其箱基 整体弯矩 的计 算公式 就考 虑 了上部 结构 刚度 的 影响 ，９ １年编 的《 １９ 建筑桩 基技术 规范 》 在多处 强调要 考虑 承 也 台、 桩群与 土之 间的共 同作用 。简要地叙述 了在考虑共同作用条 件下 ， 基础 与上部结构之 间的相互影响 。
结构抗震与防灾复习题 库(含答案)
《工程结构抗震与防灾》复习题一、填空题1．地震按其成因可划分为（火山地震）、（陷落地震）、（构造地震）和（诱发地震）四种类型。
2．地震按地震序列可划分为（孤立型地震）、（主震型地震）和（震群型地震）。
3．地震按震源深浅不同可分为（浅源地震）、（中源地震）、（深源地震）。
4．地震波可分为（体波）和（面波）。
5．体波包括（纵波）和（横波）。
6．纵波的传播速度比横波的传播速度（快）。
7．造成建筑物和地表的破坏主要以（面波）为主。
8．地震强度通常用（震级）和（烈度）等反映。
9．震级相差一级，能量就要相差（32）倍之多。
P510．一般来说，离震中愈近，地震影响愈（大），地震烈度愈（高）。
11．建筑的设计特征周期应根据其所在地的（设计地震分组）和（场地类别）来确定。
12．设计地震分组共分（三）组，用以体现（震级）和（震中距）的影响。
13．抗震设防的依据是（抗震设防烈度）。
14．关于构造地震的成因主要有（断层说）和（板块构造说）。
15．地震现象表明，纵波使建筑物产生（垂直振动），剪切波使建筑物产生（水平振动），而面波使建筑物既产生（垂直振动）又产生（水平振动）。
16．面波分为（瑞雷波 R波）和（洛夫波 L波）。
17．根据建筑使用功能的重要性，按其受地震破坏时产生的后果，将建筑分为（甲类）、（乙类）、（丙类）、（丁类）四个抗震设防类别。
18．《规范》按场地上建筑物的震害轻重程度把建筑场地划分为对建筑抗震（有利）、（不利）和（危险）的地段。
19．我国《抗震规范》指出建筑场地类别应根据（等效剪切波速）和（覆盖层厚度）划分为四类。
20．饱和砂土液化的判别分分为两步进行，即（初步判别）和（标准贯入度试验判别）。
21. 可液化地基的抗震措施有（选择合适的基础埋置深度）、（调整基础底面积，减小基础偏心）和（加强基础的整体性和刚度）。
详见书P1722．场地液化的危害程度通过（液化等级）来反映。
23．场地的液化等级根据（液化指数）来划分。
上部结构-基础-地基相互作用问题分析
摘
要： 介绍 了土 一结相互作用 的研 究概况 ， 进一 步讨论 了在建筑结 构设计 时考虑 动力相互作 用
和静力相互作用的必要性． 借助 大型有 限元程序 Ａ ＹＳ 建立了框架结构 一独 立基础 一地 基的共 ＮＳ ，
同作 用模 型 ， 解决 了应用 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ对框架结 构一独立基础 一地基进行空 间分析 的技术 问题 ， 为进行
静力相互作用问题也具有 同等重要 的地位 ， 对结构设计来讲尤为重 要． 目前一般结构设计中， 在 由于
计 算手 段 的限制 ， 然采 用常 规设计 方 法处 理静 力荷 载 ， 仍 即把 上部 结 构 、 础 与地 基 三者 作 为彼 此 离 散 的 基
独 立结 构单 元进 行力 学分 析． 本文 以柱 下条 形基 础 的平 面框 架为 例 ， 图 １ ａ 所示 ． 如 （）
力相 互 作用 和动 力相互 作 用 的区别． 由上 部 结构 一桩筏 基 一土构 成 的体 系 ， 虑桩 侧 土 的摩 擦 力 、 板 如 考 筏 底 面土 体 的弹性 支承 力对抵 抗竖 向静 荷载 的 贡献 问题属 静 力相 互作 用 问题 ． 建 筑 物及 其 基 础 假设 为 无 将 质量 时所 得 到的 地震 动输 入与 自由场 的地 震 动输入 的差 别 的研 究 ； 由于地 基 的柔 性 和地 基 的无 限性 造 成
在相 同的地震动输入条件下， 按建筑物一地基系统计算出的建筑物反应与刚性地基上建筑物的反应之间
的差 异 的研究 ， 于 动力相互 作 用 问题． 属
现有 的抗 震计 算理 论 大多采 用 刚性地 基 的假定 ， 即假 定地 震 时建 筑 物 基础 的运 动 与其 邻 部结 构 的惯性 力通 过基 础反馈 给地 基 ， 使地 基发 生局 部变 形． 然 上 致 如果这 部分 变
土-结构相互作用对隔震体系桥梁的影响
使得在两者的接触 面上 产生 了相 互作用力 ， 进 而产生 了土与基 础
以至结构的相互作 用。
图 １ 考虑土一结构相互作用的力学计算模型
２ 桥 梁隔震体 系的分析 模型
． １ 桥 梁模 型。 。 土一结构动力相互作用 问题首 先要 确定 的是结 构 的动力 刚 ２ 度矩阵。对于简化的桥 梁模 型 ， 可以将动力学方程 写为 Ｊ ： 采用隔震支座后 ， 上部 桥梁结 构可用 线 弹性模 型加 以描 述 ，
１ 土一 结构 动力 相互作 用分 析原理
结构物与支撑 其的地基是一个共 同工作 的整体 系统 ， 在地震 作用下 ， 其土 与结构 在其 接触面有 着特 定的交 联关 系 ， 称 为相 互 作用 。土一结构相互 作用 的实质就是 在地 震作用 下 由于土 体 与建筑物基础的材料差异引起 了两者变形能力 的差异 ， 这种差 异
铅 芯橡胶支座并且考虑土一结构相互作用的连续梁桥的三种情况进行对 比分 析 ， 结 果表 明土一结构相 互作 用对结构 的动力 响应 产 生不可忽 略的影响。
关键词 ： 隔震体系 ， 连续梁桥 ， 实体模型 ， 土一 结构相互作 用
中图分类号 ： Ｕ ４ ４ １ ． ３ 文献标识码 ： Ａ
的不合理。因此 ， 在研究 桥梁 的地震 响应规 律时 ， 关键 是要 分析
一
＋
０
一
…
０
清楚 桥梁周 围场地 的地震动特性 ， 即分析 土一结 构相互作 用对桥
梁结构的地震 动影响。
Ｋ＝
０
一
。
‘
．
．
＇
土一 结构体系共 同作用 的问题主要表现在三个方面 Ｊ ：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － １ ２ ． １ １
超高层建筑上部结构—群桩—筏板—土共同作用下筏板性状风振响应
自 然 灾 害 学 报
２０１９年ＤＩＳＡＳＴＥＲＳ
Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１９
文章编号：１００４－４５７４（２０１９）０６－０１０１－０９
ＤＯＩ牶１０．１３５７７／ｊ．ｊｎｄ．２０１９．０６１１
超高层建筑上部结构—群桩—筏板—土共同作用 下筏板性状风振响应计算与分析
第 ２８卷
现代超高层建筑向着越来越高、越来越柔的方向发展，高层建筑大多体型高、结构刚度小、质量轻且阻尼 比较小，对风荷载的敏感性增强。Ｎｏｖａｋ［１］认为 ＳＳＩ（ｓｏｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）对结构的风响应有影响，其后的 类似的研究也得出了与 Ｎｏｖａｋ相同的结论［２－４］，控制结构设计的主要因素是风荷载而不是地震力，已被工程 界所公认［５］。但是，上述研究多侧重于参考地震力参数进行模拟或侧重于对上部结构位移影响的研究，未 考虑风荷载下上部结构 －地基 －基础共同作用对桩筏基础的影响，而对桩筏基础筏板弯矩的确定进行探讨对 于合理分析设计高层建筑基础具有重要意义［６］。
孔 娟１，张 蕾２，潘晓明１
（１．深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 ５１８０２６；２．昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 ６５０５００）
摘 要：风荷载是控制超高层建筑结构设计的主要因素。借助流体动力学采用大涡模拟方法，通过 ＦＬＵＥＮＴ和 ＡＢＡＱＵＳ软件建立考虑风场和结构的流固耦合分析模型，运用 ＭｐＣＣＩ软件进行流固耦合 面上的数据传递，以实现流体、固体相互作用。以国际上通用的风工程 ＣＡＡＲＣ标准模型为对象，进 行了考虑刚性基础和上部结构—群桩—筏板—土共同作用的风—结构流固耦合数值模拟计算和分 析。结果表明：（１）本文方法计算结果与解析解基本一致，与前人的风洞试验和数值模拟结果基本一 致；（２）流固耦合分析下，地下室侧面土体可抵抗一半以上风荷载在筏板处引起的附加弯矩，风荷载 引起的筏板平均附加弯矩远小于自重产生的弯矩。计算方法和计算结果可以为风荷载作用下对地 基基础的研究和流固耦合问题分析提供参考。 关键词：超高层建筑；风荷载；共同作用；筏板位移；筏板弯矩 中图分类号：ＴＵ４；Ｘ９ 文献标志码：Ａ
土力学与基础工程课后思考题答案[1]
![土力学与基础工程课后思考题答案[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/6ab26359c950ad02de80d4d8d15abe23482f0377.png)
⼟⼒学与基础⼯程课后思考题答案[1]⼟⼒学与基础⼯程课后思考题答案第⼀章1.什么是地基？基础？将受建筑物影响在⼟层中产⽣附加应⼒和变形所不能忽略的那部分⼟层称为地基。
将埋⼊⼟层⼀定深度的建筑物下部承受结构称为基础，它位于建筑物上部结构和地基之间，承受上部结构传来的荷载，并将荷载传给下部的地基。
因此，基础起着上承和下传的作⽤。
2.什么是天然地基？⼈⼯地基？未经加固处理直接利⽤天然⼟层作为地基的，称为天然地基。
需要对地基进⾏⼈⼯加固处理后才能作为建筑物地基的，称为⼈⼯地基。
3.什么是持⼒层？下卧层？地基是有⼀定深度和范围的，当地基由两层及两层以上⼟层组成时，通常将直接与基础底⾯接触的⼟层称为持⼒层。
在地基范围内持⼒层以下的⼟层称为下卧层。
4.简述地基与基础设计的基本要求？（1）地基承载⼒要求：应使地基具有⾜够的承载⼒，在荷载作⽤下地基不发⽣剪切破坏或失稳。
（2）地基变形要求：不使地基产⽣过⼤的沉降和不均匀沉降，保证建筑的正常使⽤。
（3）基础结构本⾝应具有⾜够的强度和刚度，在地基反⼒作⽤下不会发⽣强度破坏，并且具有改善地基沉降与不均匀沉降的能⼒。
5.什么是浅基础？深基础？基础都有⼀定的埋置深度，若⼟质较好，埋深不⼤（d≤5m),采⽤⼀般⽅法与设备施⼯的基础，称为浅基础。
如果建筑物荷载较⼤或下部⼟层较软弱，需要将基础埋置于较深处（d>5m)的⼟层上，并需采⽤特殊的施⼯⽅法和机械设备施⼯的基础，称为深基础。
第⼆章2.1⼟由哪⼏部分组成？⼟中⽔分为哪⼏类？其特征如何？对⼟的⼯程性质影响如何？⼟体⼀般由固相、液相和⽓相三部分组成（即⼟的三相）。
⼟中⽔按存在形态分为：液态⽔、固态⽔和⽓态⽔（液态⽔分为⾃由⽔和结合⽔，结合⽔分为强结合⽔和弱结合⽔，⾃由⽔⼜分为重⼒⽔和⽑细⽔）。
特征：固态⽔是指存在于颗粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造的⽔，液态⽔是⼈们⽇常⽣活中不可缺少的物质，⽓态⽔是⼟中⽓的⼀部分。
影响：⼟中⽔并⾮处于静⽌状态，⽽是运动着的。
土与结构相互作用
土与结构相互作用在建筑结构的设计计算中，通常是将上部结构、地基和基础三者分开来考虑，作为彼此离散的独立结构单元进行静力平衡分析计算。
在上部结构的设计计算中，不考虑基础刚度的影响；而在设计基础时，也未考虑上部结构的刚度，只计算作用在基础顶面的荷载；在验算地基承载力和进行地基沉降计算时，亦忽略了基础的刚度，而将基底反力简化为直线分布，并视其为柔性荷载，反向施加于地基。
这种设计方法在50年前大型、高层建筑没有出现的情况下，可以说是适用的。
但随着高层、大型、复杂建筑的修建，地基相对上部结构来说相互柔性，因而，地基刚性的假设不再成立，在设计结构时，就必须考虑地基与上部结构的相互作用问题，把二者作为一个整体进行耦合分析。
土与结构相互作用理论研究已经有相当丰富的经验，已取得了一些成果。
土与结构相互作用分为静相互作用和动相互作用。
土与结构静力相互作用理论主要有：Meyerhof G G博士提出估算框架等效刚度的公式以考虑共同作用，在计算箱型基础土与结构共同作用时，按箱基抗弯刚度与上部框架结构考虑柱影响的有效刚度比例来分配总弯矩。
Cheung Y K应用有限元研究地基基础的共同作用，为共同作用的发展提出了另一发展方向。
Haddain M J利用子结构分析方法研究地基基础与上部结构的共同作用，为利用有限元分析高层建筑结构打下基础。
土与结构动力相互作用理论：Lsymer和Richart 提出了解决土与结构动力共同作用的集中参数法，为解决土与结构动力共同作用的计算奠定了基础。
Paramelee 率先对土和结构系统提出了比较合理的力学模型：将地基理想化为半无限空间，上部结构理想化为带刚性底板的单自由度刚架，其刚性底板搁置在地基土表面。
这一力学模型的提出，标志着土与结构动力共同作用的研究进入深化阶段。
Chopra ，Perumalswami 在分析大坝与基础在地震作用下的共同作用时提出了子结构法，使当时的数值计算分析方法能够在复杂体系中得以有效应用。
土—结构动力相互作用文献综述
土—结构相互作用地震反应研究的文献综述（长春工程学院2012级硕士研究生结构工程李斌）内容提要：大量的研究结果表明：考虑土与结构的相互作用后，一般来说，结构的地震荷载将减少，但将增加结构的位移和由P-Derta效应产生的附加力。
但土体的性质是复杂的，土与结构相互作用下，有时求得地震力反而会增大。
按传统的刚性地基假定计算出的地震荷载进行抗震设计并非总是偏于安全。
本文总结了部分研究者们对土—结构相互作用地震反应研究方面的内容，对学习结构设计有所帮助。
一、概述由于地基的索性和无限性。
使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同；由于将地基与结构作为一个体系进行分析。
使得输入地震动的特性与刚性地基假定的也有所不同。
这些差别就是由土与结构动力相互作用引起的。
地基土与结构相互作用表现在两个方面,即地基运动的改变和结构动力特性的改变[1]。
中国地震局工程力学研究所的窦立军博士在研究土与结构相互作用时提出[2]：上部结构振动的反馈作用改变了地基运动的频谱组成,使接近建筑结构自振频率的分量获得加强。
同时,地基的加速度幅值也较邻近自由场地小。
而地基的柔性改变了上部结构物的动力特性:结构的基本周期得以延长,基本周期可延长10%—150%。
由于地基的无限性，使结构的振动能量部分通过波传播向无限地基发生散射，形成了能量幅射，相当于结构体系的阻尼增大。
同时，考虑土一结构动力相互作用的结构位移是由基础平移、基础转动和结构本身变形三部分组成的，与刚性地基假设计算结果相比，结构顶点位移一般都相应地增大。
结构刚度越大，场地越软，结构顶点的位移增大得越多。
影响土与结构相互作用效应的主要因素有：（1）入射地震波的特性和入射角度；（2）土的动力特性、土层的厚度及土层的排列顺序；（3）基础的形式及埋置深度；（4）基础的平面形状和抗弯刚度；（5）结构的动力特性和相对高度。
二、土与结构相互作用的研究现况进入70年代后，由于数值计算理论和计算机技术的发展，以及一些重大工程的相继修建，推动了土与结构动力相互作用问题研究的迅速发展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第32卷第3期2010年03月武 汉 工 程 大 学 学 报J. Wuhan Inst. T ech.Vo l.32 N o.3M ar. 2010收稿日期:2010 01 05作者简介:张继承(1976 ),男,湖南平江人,讲师,博士研究生.研究方向:结构抗震.文章编号:1674 2869(2010)03 0062 07上部结构与土体共同作用的影响因素张继承1,刘 飞2(1.长江大学城市建设学院,湖北荆州434023;2.北京市建筑设计研究院,北京100045)摘 要:采用通用有限元软件A NSY S,建立了框架结构、筏基和土体共同作用的分析模型,分析了上部结构尺寸、筏板基础刚度、地基土材料对共同作用体系的影响.通过比较共同作用的分析方法与常规计算方法的结果,研究了结构体系在外荷载作用下,各组件之间的内在联系,得到了地基沉降、反力的分布,以及基础和上部结构的内力变化规律.共同作用的分析结果符合工程实际,最后提出了一些设计建议.关键词:共同作用;有限单元法;地基模型;基础刚度;内力重分布中图分类号:T U 470 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1674 2869.2010.03.0160 引 言高层建筑的常规设计中,将上部框架看成是柱底固定的独立结构进行计算,不考虑上部结构、基础和地基之间的共同作用,与实际结构的受力与变形存在较大差异,使设计出的结构不安全或不经济.现在对结构的计算方法已发展到将上部结构、基础和地基三者视为一个完整的体系来计算,这是共同作用分析方法.上部结构和地基土之间相互作用和共同工作问题的研究是土木工程中重要的课题之一,国内外研究已经取得了一定的成果[1 8],然而由于问题的复杂性,共同作用分析作为一种结构设计方法,其工程实践尚处在初级阶段.本文结合文献[9]的研究成果,采用通用有限元软件ANSYS10,建立了9层框架结构-筏板基础-地基土体系共同作用的分析模型.通过上部结构尺寸、筏板基础刚度、地基土材料参数的变化,比较共同作用的分析方法与常规计算方法的结果,研究上部结构及基础的内力、应力变化规律,以及地基土反力的空间分布规律,为改进和提高结构设计的安全、经济性提供依据.1 分析模型1.1 四种结构体系上部结构框架层数较少,基础刚度不大时,整个结构体系刚度较弱,易于发生不均匀沉降,且不均匀沉降对上部结构的内力重分布影响较大.本文分析9层空间框架-筏基-地基结构体系的共同作用,建立了四种结构体系:基准型结构体系、弱梁型结构体系、板强型结构体系、土硬型结构体系.根据规范构造要求、实际工程经验确定梁、柱和筏板的尺寸,形成基准结构型体系;在基准型体系的基础上,减少框架梁的截面尺寸,形成弱梁型结构体系,了解梁截面刚度在上部结构总刚度中所占的比例及内力重分布规律;提高筏板混凝土材料的标号,通过弹性模量的提高来实现基础刚度的提高,形成板强型结构体系;提高地基土的硬度,减少其压缩性,形成土硬型结构体系.框架梁、柱和筏板的尺寸、材料见表1,结构的平面布置见图1.通过对比四种体系的计算结果,研究上部结构与土体共同作用的影响因素.表1 框架结构参数T able 1 Fr ame str ucture parameter类别梁/mm b h 柱/mm a a 板材料地基土初始模量Ei /kPa基准型300 600500 500C305410弱梁型300 300500 500C305410板强型300 600500 500C705410土硬型300 600500 500C3013030图1 框架结构平面(mm)Fig.1 Plan of the frame structure1.2 模型的建立采用ANSYS10建立了数值分析模型,上部结第3期张继承,等:上部结构与土体共同作用的影响因素63构的框架梁、柱采用beam 188单元模拟,梁柱配筋对于结构刚度的增强通过增大混凝土弹性模量的方式来考虑,楼板和筏基选用shell63单元模拟,分析时假设框架梁、柱与筏板的材料均为弹性.土体的力学性能与其受力水平关系密切:在受力水平较低时,可采用线性的力学模型;中等受力水平时,采用非线性模型或弹塑性模型;而在高等受力水平时,土体处于流动或破坏状态.在实际工程中,基础不同部位的土的力学性质不同,总体来说可采用中等受力水平时土体的力学性质.另外,本文主要研究地基变形对上部结构的影响,忽略了固结比、应力途径和主应力方向对土体性质的影响,以及土体的剪胀性能.根据以上各方面的考虑,采用Duncan Chang 模型,地基采用单一均匀粘性土,参考上海地区典型土层试验结果的统计分析,本文基准型与土硬型结构体系分别采用褐黄色粘性土与暗绿色粉质粘土.土体的非线性采用多线性等向强化模型来模拟,Duncan 和Chang 采用双曲线方程模拟三轴试验得到的应力-应变曲线关系:E t =E iR f (s 1-s 3)2(s 1-s 3)f(1)在该模型中,未将弹性变形与塑性变形区分开来,未能考虑土体的剪胀性,即虎克定律中体积变形与剪应力没有关系.在荷载不太大,即不很靠近破坏条件时,以及荷载单调增加时,可以较好地模拟地基土的非线性应力-应变关系,适用于土体各种变形状态的分析.本实验地基土采用的褐黄色粘土与暗绿色粉质粘土,其材料特性见表2所示,两种土体的初始弹性模量分别为E 1=5410kPa 、E 2=13030kPa,泊松系数均取0.25.表2 地基土的材料特性T able 2 M echanical pr operty of g roundsill so il褐黄色粘土暗绿色粉质粘土 /k Pa /kPa/kPa /kPa 0.0154.100.06138.120.01130.300.06331.950.0285.230.07144.510.02205.120.07347.250.03105.430.08149.710.03253.600.08359.680.04119.590.09154.010.04287.550.09369.970.05130.060.10157.630.05312.650.10378.64选取适当尺度的有限体积域来代表土体空间,体域的尺度长、宽和高的数值按荷载作用范围选取,以使边界上的位移、反力对计算结果的影响可以忽略.根据规范方法所确定的地基压缩层厚度,取深度H =30m ;在平面上,地基土体从筏板边缘向外延伸一倍的筏板宽度,取长a 宽b =45 80m.建立的整体模型如图2(b)中所示.在正式分析前,对模型进行了试算,以确认土体有限空间域选取的合理性.分析结果表明,在土体的约束边界处,支座反力很小,且土体区域的应力水平很低,说明该处的土体受到共同作用体系的影响已经很小,体域尺度的选取是科学有效的.模型筏板与土体的作用采用表面接触单元来模拟,一个目标单元和一个接触单元构成一个接触对[10],分析模型如图2所示,图2(a)是不考虑共同作用的纯框架模型、图2(b)是考虑共同作用的整体结构体系模型.该有限元模型的准确性与合理性,已经在参考文献[9]中得到了验证.除了竖向的恒、活荷载外,考虑抗震设防烈度为7度多遇,采用底部剪力法计算框架结构受到的水平地震荷载,施加沿宽度方向呈倒三角形分布的地震荷载.图2 结构分析模型F ig.2 T he str uctur e analysis model2 分析结果基于以上有限元模型,分别采用两种方法对结构进行了静力分析.常规法:假定框架柱底刚接,分析得到柱脚反力,将此反力传递给筏基,单独分析筏基与地基土的反应.共同作用法:考虑上部结构刚度,将上部结构、筏板基础及地基看作一个整体进行分析.以下从基础沉降、基底反力、筏板内力和上部结构内力重分布四个方面来研究分析的结果.2.1 基础沉降规律由于地基土在基础荷载作用下产生压缩变形,使基础产生沉降.不均匀的沉降对建筑物的危害较大,可使建筑物的主体结构中产生附加内力,导致结构开裂甚至局部构件的断裂,危机建筑物的安全.图3中为各类体系的基础沉降变形模式,从图中可以看出均呈现为下凹的盆式沉降.由考虑共同作用与常规方法计算所得四种结构体系的各轴线处的沉降曲线,有着相同的特点.地基刚度不变的各类体系计算所得的地基的平均沉降量几乎相等,以D 轴为例,前三种体系基础的平均沉降约64武汉工程大学学报第32卷图3 D轴基础沉降比较(mm)Fig.3 Comparison of foundati on settlement in D ax is为130mm,土硬体系为54mm.上部框架结构对基础的不均匀沉降或挠曲有一定的抵抗能力,考虑上部结构刚度时四种体系的最大沉降差都减小:基准型结构体系减少49.1m m,弱梁型体系减少23.3m m,土硬型体系减少13.9mm,板强型体系减少48.9m m.对比基准型体系与弱梁型体系,当梁的截面由300mm 600mm减小到300mm 300mm 时,考虑上部结构刚度时的地基最大沉降差由27mm增大到44.9mm,相对增大了66.3%,可以看出上部结构对基础不均匀沉降的抵抗能力与框架梁和柱的截面密切相关,尤其是梁的截面对上部结构的刚度影响较为显著,当梁截面刚度减小时,上部结构的整体刚度随之减少,所以地基的不均匀沉降加剧;地基的不均匀沉降取决于地基土的压缩性,压缩性越大,地基的沉降越不均匀,加大地基刚度时,可以减少建筑物的整体挠曲,调节地基的不均匀沉降,对比土硬型结构体系与基准型结构体系,考虑上部结构刚度时的地基最大沉降差由27 mm减小到18.5mm,减小31.5%.改变梁截面面积、筏板刚度、地基土的压缩性,总的来说就是改变上部结构与地基土的刚度比,当上部结构与地基土的刚度比发生变化时,地基沉降的不均匀性也随之改变.分析表明,常规设计中不考虑上部结构与地基基础共同工作,计算得到的基础沉降差较大.实际结构中结构体系基础沉降差将明显小于设计计算值.这说明不考虑上部结构与地基基础共同工作计算基础结构内力偏于安全.这也表明实际结构体系上部结构内力明显大于常规设计计算值,其安全储备则要明显小于常规设计计算值.2.2 基底反力规律通过设置面-面接触单元,计算得到土体与筏板接触面上的压力,研究基础底部反力的分布情况和规律.图4、5是基底压强分布3维曲面,水平坐标(X、Y)(m为单位)分别对应的是筏板网格位置,竖向坐标(Z)(kPa为单位)对应该网格处的地基反力.限于篇幅,只列举了两种体系的图形结果.对比四种体系,当考虑上部结构刚度时,按邓肯-张非线性弹性地基模型分析,在基础边缘,尤其是角点,出现高度应力集中的现象:基准型结构体系角点与中心应力之比达到90.1/37.7= 2.39;弱梁型结构体系角点与中心应力之比为64.3/33.4= 1.93;板强型结构体系的角点与中心应力之比为90.8/37.7=2.41;土硬型结构体系角点与中心应力之比为79.4/39.0=2.04.常规方法不考虑上部结构刚度时,基准型结构体系最大与最小地基反力之比64.5/35.0= 1.84;弱梁型结构体系最大与最小地基反力之比为56.3/29.7=1.90;板强型结构体系最大与最小地基反力之比为66.7/35.8= 1.86;土硬型结构体系最大与最小地基反力之比为56.3/29.7=1.90.总的说来,常规方法在基底内部的应力分布比较匀称平缓.对比四种体系考虑上部结构刚度时的基底反力分布图,当框架梁截面刚度减小,上部结构总刚度也随之减少,基底反力的分布较为缓和,与基准型结构体系的基底反力分布相比较,角点附近网格中地基反力由90.1kPa减少到64.3kPa,基底中部反力由37.7kPa减少到33.4kPa;地基土的第3期张继承,等:上部结构与土体共同作用的影响因素65图4 板强型结构体系地基反力F ig.4 Foundat ion reactio n o f rigid r aftplate st ruct ur e system图5 土硬型结构体系地基反力Fig.5 Foundation reaction of firmsoit stracture system压缩性也影响了基底反力的分布,地基压缩性较小时,基底角点与中心应力之比减小,基底反力趋于平缓;当基础刚度增大时,这种对荷载传递的跨越作用也相应增大,基底角点与中心应力之比相对于基准型结构体系有所增加.总而言之,当按常规设计方法,不考虑上部结构刚度计算基底反力时,基底反力的分布趋于均匀.还可以得到这样的规律,土体上方的结构:包括筏板和框架相对土体的刚度越小(即上部结构越柔),基底反力的分布越均匀.2.3 基础内力分布筏形基础由于具有一定的结构刚度,因此在和地基变形协调的过程中基底反力呈不均匀分布.与之相应,基础不仅产生了节间的局部弯曲应力,同时也将产生整体弯曲应力.常规方法先视基础刚度为无穷大,求出上部结构在基础顶面处的固端反力,再把该反力作用于基础,在考虑基础与地基共同作用的条件下分析基础内力,但却又完全忽视上部结构的存在.常规方法的不足之处是明显的,结构形式不同,上部结构的刚度差别就很大.图6为基准体系中,筏基A 轴线上沿长边跨的弯矩分布云图,可以看出,常规法由于把结构柱底端当成完全固结,导致计算出筏板基础的弯矩比共同作用法大许多,要说明的是输出结果根据SH ELL63的单元坐标系,筏板上表面受拉为正弯矩,下表面受拉为负,与工程意义上的弯矩符号相反.从图6中看出,常规方法计算得到筏板在轴A 位置几乎全是负弯矩,共同作用法分析筏板部分区域的弯矩发生变号,但总体上弯矩的幅值变小.图6 基准型筏基A 轴线弯矩分布云图(单位:N m/m)F ig.6 R aft foundatio n mo ment o f basicstructure system in ax is A为了更清楚地表示弯矩的分布情况,对于另外三种结构体系,提取了A 轴的弯矩分析结果,绘66 武汉工程大学学报第32卷制弯矩图如图7所示.图7 筏基A 轴线弯矩图Fig.7 Raft foundat ing moment in ax is A从图7(a)可知,与常规方法相比,当考虑上部结构刚度时,筏片基础A 轴位置的部分弯矩发生变号,在X= 1.5m 位置,方法1(共同作用)A 轴的正弯矩60kN m/m,方法2(常规法)A 轴的负弯矩为-30kN m/m,两者的差值为90kN m/m.对比基准体系和板强体系,可看出方法1计算时,筏基的刚度增大对于自身弯矩分布没有产生很大的影响;而对于方法2来说,弯矩结果对于板刚度的变化较敏感,板强体系的弯矩幅值较基准体系有较大的提高,特别在1轴跨中位置,板强体系为-380kN m/m,基准体系为-150kN m/m,增加了230kN m/m.所以在设计筏基时,如果采用方法2,当板刚度较大时,往往会导致设计配筋量偏大.当地基较硬时,基础的正弯矩减少,负弯矩(上表面受拉)增大,并且当地基刚度增加至相当大的程度时,上部结构刚度对基础内力已没有什么影响,因为这时基础沉降变形较小,同时不均匀沉降也很小,已不需要上部结构来帮助减少不均匀沉降.由此可知,考虑共同作用的分析,对于软弱地基上的结构物要比坚硬地基上的结构物具有更重要的意义.在上部结构刚度与地基条件不变的情况下,基础中弯矩随其刚度的增大而增大.可见,整个体系的弯曲内力在基础与上部结构之间是按刚度分配的.故基础内力在数值上取决于结构体系刚度与地基刚度的比例和荷载的大小.一般弹性地基的方法由于忽略了上部结构的影响,而单纯考虑地基的变形协调,得出正弯矩偏大的结果.2.4 上部结构内力重分布在实际工程中,基础的刚度是有限的,也就是说,基础存在着相对挠曲,从而导致各柱沉降不均,基础的受力状态得到了相应的改善,但是梁、柱受到差异沉降的影响,上部结构产生了较大的附加内力,内力进行重新分布[11].为了解共同作用对上部框架结构的影响,以下对四种体系考虑共同作用时结构的内力重分布规律进行研究.图8为弱梁型体系框架纵向D 轴线的弯矩图,可以看出,其和文献[9]中基准型体系的结果在数值上虽然有所不同,但是考虑共同作用时,它们的内力重分布规律是相同的.由于柱脚相对位移的影响,各柱弯矩明显增大,尤其是底层柱,其它各层柱相对于底层受到的影响较小.按常规方法设计时,边柱偏于不安全,中柱却过于浪费.图8 弱梁体系框架A 轴线弯矩图F ig.8 F rame mo ment o f weak beamstructure system in ax is A从水平荷载作用的角度看,沿宽度方向的横向框架是主要的抗侧力结构,以下取框架中部轴线5上的一榀进行分析.图9为基准体系该榀框第3期张继承,等:上部结构与土体共同作用的影响因素67架柱的弯矩和轴力图.图9 基准体系框架轴线5内力F ig.9Inter mal fo rce of basic st ructur e sy stem in axiss 5从图9中看出,不考虑共同作用时,在水平荷载作用下,底层柱脚部的弯矩符号均相同,考虑共同作用后,由于柱脚相对位移的影响,柱脚部的弯矩发生变号,且幅值明显增大.轴5框架柱的轴力分布也发生了较大的变化,考虑共同作用时,最大轴力出现在边柱,为1390kN,而常规方法最大轴力出现在中柱,为1550kN.其它各柱的轴力也有所变化,随层数的增加,柱轴力变化逐渐减小.图10列出了其它体系框架轴线5的弯矩,可以看到,对于四种体系来说,考虑共同作用因素后,弯矩的内力重分布规律都是相同的,只是变化的幅度不同,这取决于上部结构与基础的相对刚度关系.基准体系的最大弯矩为370kN m,弱梁体系的最大弯矩为578kN m,板强体系的最大弯矩为363kN m,土硬体系的最大弯矩为327kN m.弱梁体系由于梁、柱的刚度比发生变化,导致弯矩主要集中在柱端,幅值急剧上升;板强体系和土硬体系中,通过改变下部结构的刚度,对框架结构的弯矩幅值起到一定作用,但没有上部结构自身刚度变化的影响显著.所以合理的结构设计实现结构的内力优化分布非常重要.图10 其它体系框架轴线5的弯矩(N m)F ig.10 F rame moment of o ther structuresystem in ax iss 5(N m)比较四种体系的计算结果,可以发现框架梁的截面刚度和地基土的压缩性对上部结构内力重分布的影响较大,忽略共同作用效应给上部结构内力分析带来一定的误差.3 结 语对框架结构-筏基-地基土组成的建筑结构68武汉工程大学学报第32卷体系工作性能进行了数值模拟分析和研究,得到的主要结论如下:a.地基土的压缩性降低时,即地基刚度增大时,基础的沉降量就会减小,基础沉降差也会随之减小.基础和上部结构内的附加内力降低,使结构的造价降低.b.基础刚度对结构体系共同作用具有重要的影响.在上部结构刚度与地基条件不变的情况下,基础内力随其刚度的增大而增大,由于基础刚度增大,使其沉降差随之减小,相应上部框架结构的附加内力将减小.c.上部结构刚度对共同作用有一定的影响.结构刚度的增加能显著改善基础的纵向弯曲变形.随着结构刚度的增加,地基反力向基础边缘转移.与此同时,上部结构中产生了很大的附加内力.框架柱轴力并不是竖向楼层荷载的简单叠加,而是向结构两端转移,并且框架柱和梁的弯矩、剪力会发生变化.d.在实际工程设计中,考虑共同作用时,底层柱,特别是角柱、次边柱轴力变化较大,所以在设计中应注意这些构件,适当提高配筋;当地基土的压缩性较大时,可以通过提高梁的截面刚度、筏片基础的刚度等措施来提高上部结构的整体刚度,减少地基的不均匀沉降差;考虑共同作用时,应适当提高框架梁外端截面承受负弯矩的受力钢筋数量,及内端截面处受力钢筋伸入支座内的钢筋数量.参考文献:[1] 杜永峰,兰倩,李慧,等.筏形基础一地基共同作用非线性数值分析[J].兰州理工大学学报,2005(2):107110.[2] 陈震,陈劲蕾,张海涛.地基基础与上部结构的共同作用研究[J].江汉大学学报:自然科学版,2004(12):86 89.[3] 王伟,杨尧志.地基基础与上部结构共同作用抗震性能分析[J].武汉水利电力大学学报,2000(8):5963.[4] 李玉杯,熊峰.高层建筑上部结构、基础与地基土共同作用的地震时程分析[J].四川建筑科学研究,2005(4):98 102.[5] 董建国,赵敏宏.高层建筑地基基础!!!共同作用理论与实践[M].上海:同济大学出版社,1996:1 364.[6] 宰金珉,宰金璋.高层建筑基础分析与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1993:1 639.[7] 尚守平,杜运兴,周芬.桩箱基础与地基土共同作用的分析研究[J].土木工程学报,2001,34(4):93 97.[8] A bdul Hay ir,M ar ia I T odor ovska,M ihailo DT r ifunac.A nt iplane responseo f a dike with flex iblesoil structure interface to incident SH wav es[J].So ilDynamics and Ear thquake Engineering,2001(21):603 613.[9] 庞迎波.框架结构 筏基 土体共同作用数值模拟分析[J].2009,25(7):25 29.[10] 王新敏.A NSY S工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.[11] 孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1979:26 50.Study on influence factor of superstructure and subsoil interaction effectZHANG Ji cheng1,LI U Fei2(1.Scho ol of U rban Const ruct ion,Y angtze U niversity,Jing zho u434023,China;2.Beijing I nstit ute o f A rchitectur al Desig n and Research,Beijing100045,China)Abstract:T he analysis model consisting of a frame,raft foundatio n and subso il w as established using general FEM ANSYS.T he effect of super structure dim ension,raft foundatio n rig idity and subsoil pro perty on the interaction system w as studied.T he results from interaction analy sis metho d and com mon m ethod w ere compared.T he inter nal r elation of each structure component w as investig ated, and the subsoil settlement and r eaction distribution rule,internal force redistribution regulatio n of fo undation and superstructure w as attained.The r esults o f interaction analysis accorded w ith practical engineering,and som e desig n sugg estion w as proposed finally.Key words:interaction effect;finite element method;g roundsill model;foundation rigidity; redistribution of inter nal for ce本文编辑:龚晓宁。