（岩土工程专业论文）高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s 时o ft e c l u l 0 1 0 9 yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g 一一一 a n a i j y s i sa n dr e s e a r c ho ni n t e r a c t i o n a m o n gh i g h r i s eb u i l d i n gs u p e r s t r u c t u r e ， r a f tf o u n d a t i o na n d g r o u n d w r i t t e nb y x i a oq i a n g d e g r e ea p p l y i n gf o r ：m a s t e r vj，v m 句o r ： g e o t e c l u l i c a le n g i l l e e r i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c p r o f d i n gc u i h o n g a p r i l13 ，2 0 1o 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位 证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 吼牛n7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密嘶 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 刷醛氢彳狐 、j 彳7 、 日期忙如叫日 日期：州d 年厂月日 浙江- t 业大学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 摘要 随着高层建筑的大量兴建和计算机技术的迅速发展，上部结构与地基 基础共同作用问题逐渐成为成为土木工程领域的热点课题。目前工程界 广泛采用的常规设计方法忽略了上部结构与地基基础的共同作用，使上 部结构的设计偏于不安全，同时基础的设计又过于保守，计算结果与实 际情况有较大出入。 本文首先介绍了共同作用分析中常用的地基模型以及地基模型的选 择问题，接着阐述了上部结构与地基基础共同作用的基本理论和共同作 用的分析方法，并讨论了基于大型有限元分析软件a n s y s 建立三维数值 分析模型的方法。然后利用a n s y s 软件分别建立了框架一核心筒结构、筏 板基础和地基共同作用体系以及纯框架结构、筏板基础和地基共同作用 体系的三维有限元分析模型，对其在竖向荷载作用下的共同作用的特性 进行了分析。本文的主要研究内容如下： 1 分别按常规设计方法和考虑共同作用的设计方法建立共同作用体 系的a n s y s 模型进行计算，比较两种设计方法得到的上部结构内力的差 异、筏基内力与沉降的差异、基底反力的差异。 2 利用a n s y s 单元生死技术模拟上部结构施工过程，分析上部结构 刚度逐层形成对共同作用的影响。 3 分别改变筏板的厚度和地基土的变形模量，分析其对筏基沉降、 基底反力、筏基内力和上部结构内力的影响。 4 讨论上部结构形式为纯框架结构时筏基沉降、基底反力、筏板内 力以及上部结构内力的变化规律，并与上部结构形式为框架一核心筒结构 的共同作用体系进行了对比分析。 通过上述分析研究得出了以下几点结论： 1 考虑共同作用后，角柱和边柱明显加载，且角柱的加载幅度大于 边柱的加载幅度。同时，中柱明显卸载。上部结构构件相对于常规设计 结果加载的效应在下部楼层表现比较明显，在上部楼层加载和卸载的效 应趋于缓解。 2 按考虑共同作用的方法计算的筏基弯矩和差异沉降明显小于常 规设计方法的计算结果。 t 浙江工业大学硕上学位论文高层建筑j ：部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 3 上部结构的刚度是有限的，施工到某一楼层之后，角柱和边柱的 加载幅度、中柱的卸载幅度将趋于稳定。 4 筏板厚度的增加可以有效地减小基础的差异沉降，从而减小上部 结构中的附加应力，但是随着筏板厚度的增加，其对于减小角柱和边柱 内力的效果越来越弱。 5 随着地基土变形模量的增大，筏基差异沉降的减小并不显著，且 差异沉降减小的速度逐渐趋缓；地基土变形模量的增大对减小上部结构 外围框架柱内力的作用也并不明显，且其效果随变形模量的增大而逐渐 减弱。 6 进行框架结构下的筏基的计算分析时，上部结构的框架柱不能作 为固定支座，不能按照条带法和倒楼盖的方法去计算筏基的内力，否则 将完全偏离实际情况。 关键词：共同作用上部结构筏板基础地基有限元差异沉降 基底反力 i i 浙江工业大学硕士学位论文 高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 a n a l y s i sa n dr e s e a r c h o ni n t e r a c t i o n a m o n gh i g h r i s eb u i l d i n gs u p e r s t r u c t u r e ， r a f tf o u n d a t i o na n dg r o u n d a bs t r a c t w i t hal a 玛en 啪b e ro fh i g h - r i b u i l d i n g sb e i n gb u i l ta t l dr 印i dd e v e l o p m e n t0 fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，t h es u b j e c td b o u ts u p e r s t 九j c n l r e - f o u n d a t i o n - g r o u n di n t e r a c t i o ni n c r e 嬲i n g l y b e c o m e sa r e s e a r c hf o c u si nt h ec i v i le n g i n e e r i n gf i e l d t h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o dw h i c hi sw j d e l ya d o p t e d b yt h ec i v i le n g i n e e r i n gc i r c l e sn e g l e c tt h ei n t e r a c t i o na m o n gs u p e r 鲫m c t u r e ，f o u n d a t i o na n dg r o 哪d ，船 t h u st h ed e s i g nf o rs u p e r s 仃u c t u r eo ft h eb u i l d i n g si s i n s e c u r e ，a tt h es a m et i m et h ed e s i g nf o r f o u n d a t i o ni sr a t h e rc o n s e r v a t i v e ，锄dt h e r ea 1 1 eg r e a td i 日：宅r e n c e sb e m e 朋c a l c u l a t i o nr e s u l ta n da c t u a l c a s e f i r s t l y ，t 1 1 et h e s i si n 仃o d u c e st h ec o m m o n l yu s e ds o i lm o d e li nt h ei n t e m c t i o n 扑a l y s i s 锄d d i s c u s s e st h ep r o b l e ma t o u tt h es e l e c t i o no ft 1 1 es o i lm o d e l ，锄dt 1 1 e nd e s c r i b e st h eb a l s i ct h e o 珂锄d a n a l y s i sm e t h o d so fs u p e 酣u c t i l l l e - f o u n d a t i o n g r o u n di n t e m 而o n t h et h e s i sa l s oi n 仃o d u c e st 1 1 em e t h o d w h i c hu s e st h ef e ms o f h v a r e ，a n s y st oe s t a b l i s ht h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l f i n a l l v n l r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo f舶m e c o r et u b e 蛐r u c t u r e 门危 f o u n d a t i o n g m u n d s i l li n t e r a t i o ns y s t e m 锄d 台啪e 蜘m c t u r e - r a rf o u n d a t i o n g r o u n d s i l li n t e r a t i o ns y s t e m a f ee s t a b l i s h e db yl l s i n gt h ef e ms o f t w a r e ，a n s y s ，t h ec h a r a 烈e r i s t i c s0 ft h et w oi m e r a t i o ns y s t e m s 帅d e rt h ev e n i c a ll o a di ss t u d y t h em a i nc o m e n t si nt h et h e s i s 御ea sf 0 1 1 0 w s ： 1 t h ea n a l y s i sm o d e l so ft 1 1 ei n t e r a t i o ns y s t e mw h i c ha r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec o n v e m i o n a l m e t l l o d 锄da c c o r d i n gt ot l l em e t h o dc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a u c t i o n ，a r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h es o r w a r e ， 柚s y s a n dt h 明t h es u p e r s m l 咖r e si m e m a lf o r c e ，t h er a rf o u n d a l i o n si n t e m a lf o r c e ，t h em f o u n d a t i o ns 甜l e m e m 锄dt h ef o u n d a t i o nr e a c t i o nw 1 1 i c hi sc a l c u l 锄e da c c o r d i n gt o 廿l ec o n v e n t i o n a l m e t h o di sc o m p a r e dw i t ht h o s ew h i c hi sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h em e t h o dc o n s i d e n gt l l ei n t e r a c t i o n 2 t h ec o l l s 仃u c t i o np r o c e s so ft h es u p e r s t r u c t u r ei ss i m u l a t e db yu s i n gt h e “e l e m e mb i m la n d d e a t h 眦h n i q u e o f 付l es o 触a r e ，锄s y s t h e nt h e 砌u e n c e sw h i c hf o m i n gg m d u a l l yo ft l l e s u p e r s t r u c m 佗s t i 确e s se x e r t so nt h ei m e r a t i o ns y s t e m 副e 掮a l y z e d 3 c h a j l g i n gr mm i c k n e s s 锄ds o i ld e f o m a t j o nm o d u l u s ，t 1 1 ei n f l u e n c ei sa n a l y 臻dw h i c ht h e v 撕a t i o no fr a rt h i c k n e s sa n dt h ev 撕a t i o no fs o i ld e f 0 n n a t i o 岫m o d u l u se x e r to n 献f - o u n d a t i o n s e t t l e m e m 。f o u n d “o nr e a c t i o n ，t h er a rf o u n d a t i o n si n t e m a lf b r c e ，t l es u p e r s 们j c t u r e si n t e m a lf o r c e 4 t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f 雠f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t f o u n d a t i o nr e a c t i o mt h em f o u n d a t i o n si n t e m a lf l o r c e ，t h es u p e r s t 九j c t u r e si n t e m a lf o r c ea r ed i s c u s s e dw h e nt h es u p e r s t n j c t u r e f o n ni sf h m es t m c t u r e a n dt h ea f b r e m e m i o n e dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oc o m p a r e dw i t l lm e c h 副麓c t e r i s t i c s0 fi n t e r a t i o ns v s t e mw h i c ht h es u p e r s t l l l c t l i r ef - 0 n ni s 纳m e c o r et u b es t m c t u r e a c c o r d i n gt ot h ea b o v e m e n t i o n e d 锄a l y s i sa i l dr e s e a r c h 廿l em a i nc o n c i u s i o n sa r e 雏f o l l o w s ： 1 a 缸rc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o l l t h ei n t e m a lf o r c eo fc o m e rc o l u m 玎a n ds i d ec o l u m ni n c r e a s e s q 坠堑q 竖! y ，a n dt l l e1 0 a d 啪g eo fc o m e rc 0 1 u 砌i sg r e a t e rm 锄t l el o a dr a n g eo fs i d ec o l u n l n a t 廿l e n i 浙江工业大学硕士学位论文 高层建筑j ：部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 s 锄et i m e ，t h ei n t c m a lf o r c eo f 廿1 ec o r et u _ b e 锄dt 1 1 ei m e r i o rc 0 1 l m md e c r e a s eo b v i o u s l y t h el o a d i n g e 毹c to fs u p e r s 们j c t u r ec o m p o n e n ti sq u i t eo b v i o u si nt l l el o w e rf l o o r s i nu p p e rf l o o r s ，t h el o a d i n g e f l e c ta n dt h eu n l o a d i n ge 疗e c ta r et e n dt ob ed e c r e s c e n t 2 m rm o m e ma n dd j f e r e n t i a ls e t t l e m e n tw h j c hi so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d a r eo b v i o u s l y1 e s st h 锄t h er e s u l t sw h i c hi so b t a i n e da c c o r d i n gt 0t h em e m o dc o i l s i d 丽n gt h e i n t e r a c t i o n 3 t h es u p e r s n l l c t u r es t i 确e s si si i m i t e d ，a n e rh a v i n gc o n s n u c t e dac e r t a i nf l o o r t h e1 0 a dr a n g eo f c o m e rc o l u m na i l ds i d ec o l u i n n ，t h eu n l o a d i n 2o fi m e r i o rc o l 啪n 剐et e n dt ob eas t a b l ev a l u e 4 t h ei n c r e a s eo fr a rt h i c k n e s sm a ye 仃b c t i v e l yr e d u c et 1 1 ed i 仃- e r e m i a ls e t t l e m e n to fm r f o u n d a t i o n ，t h u sr e d u c et h ea d d i t i o n a ls 臼e s si ns u p e r s t r i l c t u r e ，b u t 鹅r a rt h i c l ( n e s si n c r e 硒i n g ，t h ee 琢娥 i sg r a d u a l l yw e a k e n e dt or e d u c et 1 1 ei n t e m a lf o r c eo fc o m e rc o l 啪na n ds i d ec o l u 砌 5 a ss o i ld e f o r n l a t i o nm o d u l u si n c r e a s i n 岛t h ed e c r e a s eo fr a 最d i 髓r e m i a i 辩t t l e m e n ti sn o t o b v i o u s ，卸dt h es p e e do fd i 毹r e n t i a ls e t t l e m e n td e c r e 嬲i n gg m d u a l l ys l o wd o w n 1 1 1 ee m c tw h i c h i n c r e a s i n go fs o i ld e f o m a t j o nm o d u l u st 0r e d u c et h ei m e m a lf o r c eo fs u p e r s t r u c t u r e 胁ec o l 啪ni s n t a l s oo b v i o u s ，锄dt h ee 腩c ti sg m d u a l l yw e a k e n e dw i t hs o i ld e f o m a t i o nm o d u l u si n c r e 舔i n g 6 w h e nr a rf o u n d a t i o nu n d e rf h m es t n j c t u r ei sa n a l y z e d ，t h e 疔a m ec o l 啪n0 fs u p e r s t r u c t ec a n t b e 咧e d 雒f e ds u p p o n 锄di n t e m a jf o r c eo fm rf o u n d a t i o nc a n l tb ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt os 研p m e t h o da n di n v e n e df l o o rm e t 1 0 d o t h e n v i s et h eo b t a i n e dr e s u l t ss h o u l db ed e v i a t ef o mt h ea c t l m l c a s e k e yw o r d s ： i n t e 憎c t i o n ； s u p e 体t r u c t l i 他；r a nf o u n d a t i o n ；g m u n d ； f i n i t e e l e m e n t ； d i f f b r e n t i a ls e t t l e m e n t ：f o u n d a t i o nr e a c t i o n 浙江工业大学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 目录 第1 章绪论1 1 1 共同作用问题的研究意义l 1 2 共同作用问题的国内外研究现状。1 1 3 共同作用问题的研究方法4 1 4 本文的研究目的和主要研究内容5 1 4 1 本文的研究目的5 1 4 2 本文的主要研究内容5 第2 章共同作用分析中的地基模型及地基模型的选择7 2 1 线弹性地基模型7 2 1 1 文克尔模型7 2 1 2 弹性半空间模型7 2 1 3 有限压缩层地基模型9 2 1 4 层状横向各向同性弹性半空间模型1 0 2 2 弹性非线性地基模型1 1 2 2 1 邓肯一张模型1 1 2 2 2k q 模型1 3 2 3 弹塑性地基模型1 4 2 3 1 l a d e d u n c a n 模型1 5 2 3 2d r u c k e r p r a g e r 模型1 6 2 3 3 剑桥模型及修正剑桥模型1 7 2 4 地基模型的选择1 8 2 5 地基变形模量的确定2 0 2 5 1 变形模量的概念2 0 2 5 2 变形模量与压缩模量的理论关系2 0 2 5 3 按静力触探试验确定变形模量2 1 2 5 4 按标准贯入试验确定变形模量2 1 2 5 5 变形模量与压缩模量的经验关系2 l 2 5 6 变形模量的经验数据2 2 2 6 本章小结2 2 第3 章上部结构与地基基础共同作用的理论分析2 3 3 1 上部结构与地基基础共同作用的机理分析2 3 3 1 1 上部结构刚度对共同作用的影响2 3 浙江工业大学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 3 1 2 基础刚度对共同作用的影响2 4 3 1 3 地基模型和土性变化对共同作用的影响2 5 3 2 共同作用的分析方法2 5 3 2 1 共同作用分析的子结构法2 5 3 2 2 整体有限元分析法2 8 3 2 3 有限元与无限元耦合的方法2 9 3 2 4 有限元与边界元耦合的方法2 9 3 3 本章小结3 0 第4 章a n s y s 数值模拟分析的实现3 1 4 1a n s y s 软件简介3 l 4 1 1a n s y s 分析问题的基本过程和操作方式3 1 4 1 2a p d l 参数化设计语言3 1 4 2 本文共同作用分析中使用的a n s y s 软件关键技术3 2 4 2 1 单元生死3 2 4 2 2 地基与基础界面的接触问题处理3 3 4 2 3 结构非线性分析的实现3 4 4 2 4 梁、壳、体单元之间的连接3 4 4 3 本文分析中使用的a n s y s 单元的选择3 5 4 3 1 框架梁、柱单元的选择3 5 4 3 2 楼板和剪力墙单元的选择3 6 4 3 3 筏板单元的选择3 7 4 3 4 地基土单元的选择3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章框架一核心筒结构、筏板基础和地基共同作用的数值分析3 9 5 1 工程概况与a n s y s 模型的建立3 9 5 1 1 工程概况3 9 5 1 2 工程地质条件4 1 5 1 3 地基条件和地基模型的计算范围、边界条件4 2 5 1 4a n s y s 建模的基本条件和a n s y s 模型的建立4 3 5 2 考虑共同作用的设计方法与常规设计方法的比较4 5 5 2 1上部结构内力的差异4 5 5 2 2筏基内力和沉降的差异5 3 5 3 考虑逐层施工加载过程的共同作用分析5 6 5 3 1 上部结构构件内力的变化规律5 6 i i 浙江工业大学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地皋共同作用的分析研究 5 3 2 筏基沉降的变化规律5 9 5 3 3 基底反力的变化规律6 1 5 3 4 筏基内力的变化规律6 2 5 4 筏板厚度对共同作用的影响6 5 5 4 1 对筏基沉降的影响6 5 5 4 2 对基底反力的影响6 5 5 4 3 对筏基内力的影响6 6 5 4 4 对上部结构内力的影响6 7 5 5 地基变形模量对共同作用的影响6 8 5 5 1 对筏基沉降的影响6 8 5 5 2 对基底反力的影响6 9 5 5 3 对筏基内力的影响7 0 5 5 4 对上部结构内力的影响7 1 5 6 本章小结7 2 第6 章框架结构、筏板基础和地基共同作用的数值分析7 3 6 1 工程概况7 3 6 2 框架结构、筏板基础和地基共同作用的有限元计算结果及分析7 6 6 2 1 上部结构内力的计算结果及分析7 6 6 2 2 筏基内力和沉降的计算结果及分析7 8 6 2 3 逐层施工加载过程的计算结果及分析8 1 6 3 本章小结8 7 第7 章结论与展望8 8 7 1 结论8 8 7 2 后续研究的展望8 9 参考文献9 1 致谢9 5 攻读硕士学位期间发表的论文9 6 i i i 浙江工业大学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 第l 章绪论 1 1 共同作用问题的研究意义 建筑物上部结构、基础、地基这三个组成部分是彼此不可分离的整体，每一部分 的工作性状都是三者共同作用的结果。上部结构与地基基础共同作用分析是指把上部 结构、基础和地基看成一个彼此协调工作的整体，在考虑上部结构与基础、地基三者 相互之间接触部位的静力平衡条件与变形协调条件的前提下进行计算分析，求解各部 分的内力与变形。 高层建筑的上部结构具有较大的刚度，并且与地基、基础同处于一个共同作用的 完整体系之中。但是长期以来，由于计算手段的限制，在实际工程设计中通常把上部 结构与地基基础分隔开来各自独立计算。早期的初等设计方法先将上部结构的刚度视 为无穷大，从而把基础与上部结构的连接点看做不动铰支点，在基底反力为线性分布 的假设下计算基础内力和变形，再把线性分布的基底反力作用在地基上来进行地基承 载力和变形的计算。这种方法只考虑了总荷载与总反力的静力平衡条件，却完全没有 考虑上部结构与基础以及基础与地基接触处的变形协调条件。而目前工程界广泛采用 的常规设计方法则是先把基础的刚度视为无穷大，求出上部结构在基础顶面处的固端 反力，再把该固端反力反向作用于基础，在仅考虑地基与基础相互作用的条件下计算 基础内力和地基变形，但又完全忽视上部结构的存在。这是一种不完全的共同作用分 析方法。上述初等方法和常规方法与实际情况不相符合，其计算结果往往与考虑共同 作用的计算结果差异较大，由于没有考虑到基础的差异沉降在上部结构中引起的附加 应力，从而使上部结构的设计偏于不安全。而把上部结构简单地视为绝对刚性或绝对 柔性，又使基础内力的分析结果分别偏小和偏大。因此，只有采用共同作用的理论进 行设计，才能真实地反映结构体系的实际工作状态，从而进行比较合理的设计i l h 引。 虽然目前国内外土木工程学界对高层建筑上部结构与地基基础共同作用课题的 研究已取得较丰硕的成果，但是由于问题本身的复杂性，上部结构与地基基础共同作 用研究的发展水平与工程实用之间仍存在相当大的差距，还有许多问题有待解决，必 须对其进行更加深入的研究。 随着国内外高层建筑的大量建造，建筑规模及建筑高度不断增加，高层建筑结构 设计的安全性和经济性越来越重要。因此，进行上部结构与地基基础共同作用的分析， 改善高层建筑结构的设计方法，使设计趋于合理和经济，对于保证高层建筑结构的安 全性、经济性，降低工程造价，具有非常重要的现实意义。 1 2 共同作用问题的国内外研究现状 1 9 4 7 年，m e y e r h o f 【4 j 首先提出了支撑在独立基础上的平面框架结构共同作用的 浙江工业大学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 概念，后于1 9 5 3 年又根据上部结构中任一点附近的变形协调条件，推导出框架结构 等效抗弯刚度近似计算公式： 鼬= 砉 酬，+ 揣知 ”，) 鼬= 砒，( 1 + 嘉等；告) 】 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：西厶为上部结构等效抗弯刚度；e n 为梁、柱弹性模量；缸，k f f ，缸，为 第f 层上柱、下柱和梁的线刚度，其值分别为厶，肋耐， 屑，厶肋l ，五，厶，分别为 第f 层上柱、下柱和梁的截面惯性矩；厅。厅，为第f 层上柱及下柱的高度；为第f 层 梁的长度；三、，分别为结构弯曲方向的总长度和柱距；刀为建筑物层数。 考虑上部框架结构共同作用后基础承受的弯矩为： 胁：二生m ( 卜2 ) e f l f + e b i 8 式( 1 2 ) 中：d 厶为基础的抗弯刚度；b 厶为上部结构等效抗弯刚度；m 为建筑物整 体弯曲产生的弯矩。 可以看出m e y e r h o f 公式的上部结构等效刚度为楼层数的线性叠加，当楼层数较多 时，该公式过高估计了上部框架结构刚度，且只能在一定程度考虑共同作用对基础的 影响，也不能分析共同作用对上部结构的影响。此后，s c l l a m e c 虹( 1 9 5 6 年) 和 h g m s s h o “1 9 5 7 年) 相继研究了单独基础上多层多跨框架结构的共同作用，h s o m m e r 于1 9 6 5 年提出了一个考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。这 段时期内共同作用的分析呈现两个特点：一、由于计算工具的限制，一般都简化为平 面问题，并把地基设想为简单的弹性模型，如文克尔( w i n k l e r ) 地基模型。二、直观 而明确地考虑上部结构对地基刚度的贡献，力图把上部结构等效刚度加进基础刚度 中，从而进行基础内力和变形的计算1 5 j 。 随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元理论开始应用于共同作用研究， 1 9 6 5 年，o c z i e n k i e w i c z 和y k c h e u i l g 将有限元理论应用于地基与基础的共同作用 研究中，开创了这个课题研究工作的新方法，此后从事共同作用课题研究的学者越来 越多。如1 9 7 4 年，s j h a i l l 和l k l e e 研究了文克尔地基和弹性半空间地基上筏板基 础与多层框架的共同作用问题。g j w k i n g 和v s c l l a l l 出a s e k 锄( 1 9 7 4 年) ，l j w 莉l e 和r a f r a z e r ( 1 9 7 5 年) 用有限元方法对框架结构与筏板基础、地基的共同作用进行 了分析。1 9 8 5 年，童衍蕃【6 】采用一种以有限元法分析上部组合结构和基础、用分层线 弹性地基模型计算地基变形的方法来分析简体结构一基础一地基协同工作，然后按此 方法编制了一个通用程序并进行了算例分析。 在这些研究过程中，由于有限元划分网格而形成数目庞大的单元和结点，而当时 的计算机技术还处在较低的水平，计算机的内存容量和计算速度还远远不能满足共同 作用分析的需要，因此必须寻求有效的方法来解决计算机技术发展滞后的问题。结构 分析的子结构方法最初是为解决飞机这类大型和复杂结构的有限元分析问题而建立 2 浙江工业大学硕士学位论文 高层建筑卜部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 起来的，1 9 7 1 年，m j h a d d a d i n 在共同作用研究中首次引入了子结构方法，对文克尔 地基上筏板基础与框架结构的共同作用进行了分析。子结构法能明确表达上部结构刚 度与荷载的凝聚过程，特别适用于高层建筑结构所特有的以标准层沿竖向呈串联的构 成方式，经多重的凝聚过程得以公式化地处理复杂的上部结构，解决复杂体型的高层 建筑与地基基础共同作用问题。 上世纪8 0 年代后，随着我国高层建筑的大量兴建，国内对共同作用课题的研究 也跟上了国外学者的步伐。1 9 8 0 年，方世敏【7 】采用矩阵位移法的子结构分析原理分析 了上部结构与地基基础的共同作用。该方法将高层建筑的上部结构刚度缩聚为基础梁 的接口刚度，同时，引入有限压缩层的分层总和法地基模型，通过基础梁与地基界面处 矩形面积荷载下沉降积分变换，获得地基表面的柔度矩阵，然后在严格满足地基界面 处的变形协调和边界约束条件下，建立完全等效于实际工作状态的基础梁的矩阵位移 方程，使复杂的分析得以简化。1 9 8 0 年，张问清、赵锡宏瞵j 提出一种逐步扩大子结构 法，即将整个结构的结点临时固定，然后逐层，逐排或逐点放松，将零散的子结构逐 步扩大成整个结构，该方法所需计算机内存远小于一般的子结构方法。1 9 8 1 年同济大 学的朱百里1 9 j 等用子结构法分别对线弹性地基和邓肯张非线性地基上多层多跨框架 结构与地基基础共同作用问题进行了分析。1 9 8 3 年，宰金珉等【lo j 分别采用双重扩大子 结构有限元法和弹性半空间的有限层法，在弹性范围内对空间剪力墙结构和具有双线 性变形性质的层状横向各向同性地基进行了共同作用分析，并给出了高层空间剪力墙 结构与地基共同作用的通用分析方法和程序，使得在不增设外部设备的条件下利用 3 2 k 内存量的计算机分析共同作用的三维问题成为可能。1 9 9 4 年，袁聚云、赵锡宏、 董建引1 1 】采用双重扩大子结构有限元法，同时采用弹塑性地基模型，对高层空间剪力 墙结构与地基基础共同作用进行了综合分析。子结构方法使方程组的数量大为减少， 从而使有限元方法分析共同作用问题的应用范围进一步扩展。国内的岩土工程界也对 共同作用的研究展开了广泛的学术交流。1 9 8 2 年、1 9 8 6 年、1 9 9 0 年我国第一、二、 三届岩土力学解析与数值方法会议和1 9 8 3 年、1 9 8 7 年、1 9 9 1 年我国第四、五、六届 土力学及基础工程学术会议上均设立了共同作用专题组进行讨论。1 9 8 9 年，赵锡宏等 著上海高层建筑桩筏和桩箱基础设计理论一书，对上海高层建筑桩筏与桩箱基础 设计进行比较详细的研究，并对三栋不同结构类型的高层建筑进行实测与分析，得出 了一些便于实用的结论，反映了当时国内该课题研究的最新水平。 在共同作用的分析中，子结构方法能较好地处理上部结构的计算问题，但对于地 基和基础的计算，利用子结构方法就产生困难。随着数值分析理论的进步，边界元方 法得到发展和应用。地基和基础的分析，可以采用边界元一有限元耦合方法，该方法较 之单一的有限元法，具有数据准备简单，机时耗费量和内存需求量少，计算精度高的优 点。因此，在上部结构、地基基础的共同作用分析中，将有限元和边界元联合起来运 用，可以充分发挥其优点，使问题得到有效的处理。我国学者也采用这方法对上部 浙江工业入学硕士学位论文高层建筑上部结构、筏板基础和地基共同作用的分析研究 结构与地基基础进行共同作用分析并取得了一些成果。1 9 8 7 年，项玉寅、唐锦春i l z j 对地基部分采用边界元方法，对上部结构采用有限元方法，根据地基与结构交接面上 位移协调条件和力平衡条件联合求解，并编制了通用程序，分析了上部结构、基础和 地基的共同工作效应。该方法具有计算精度高、运算速度快和内存需求量少等优点。 1 9 8 9 年，许镇鸿等【”】用三维边界元有限元耦合法讨论了空间结构、非厚大基础与地 基的共同作用问题，该方法在计算精度不变的情况下可比普通的有限元法节省大量的 计算机内存。1 9 9 6 年，邓文龙、赵锡宏f 】4 】采用有限元与边界元耦合方法对土与结构物 进行共同作用分析，其中上部结构采用有限元子结构法，地基土考虑为横观各向同性， 应用边界元法，通过基础界面上位移连续、面力平衡的条件进行耦合分析，并编制了 相应的计算程序。1 9 9 6 年，陈有华、刘北辰i l5 j 采用有限元边界元耦合方法，对高层 建筑与地基基础的共同作用进行了考虑材料非线性的分析。地基部分用二次曲线等参 边界单元来模拟，上部结构中的混凝土及受拉主钢筋分别用八节点等参单元和二节点 线形单元来模拟，而混凝土与钢筋之间的粘结一滑移关系则用四边形联结单元来模 拟，根据两部分接触面上位移协调条件和力的平衡条件，将有限元和边界元进行耦合， 用f o r t r a n 7 7 语言编制了程序在计算机上进行实例计算。 在高层建筑与地基基础共同作用分析理论发展的同时，现场测试研究也在不断进 行，并促进了共同作用理论研究的发展。1 9 8 0 年，张问清和赵锡宏等对上海四栋高层 建筑箱形基础测试结果进行了详细的分析研究。1 9 8 9 年，殷永安、赵