（岩土工程专业论文）中高层密肋壁板结构—筏板基础—地基土相互作用分析.pdf

西安建筑科技大学硕士学位沦文 中高层密胁壁板结构一筏板基础一地基土相互作用分析+ 专业：岩土工程 硕士生：王晓强 指导教师：张荫教授 摘要 密肋壁板结构作为一种新型的结构体系，在理论研究及工程应用方面已取得较好的前期成 果，但对于密肋壁板结构的基础设计以及结构与地基土的相互作用研究方面还是空白。本文总 结了国内外高层建筑上部结构一地基一基础相互作用的研究成果，分析了筏板基础的一般受力特 点和计算方法。在前期工作的基础上，主要研究筏板基础与密肋壁板结构及地基土相互作用中 的工作性状，结合唐山荣泰园工程实例，完成了以下几方面工作： l 、通过密肋复合墙体竖向受压试验，研究了墙体底部反力分布规律，将试验结果与a n s y s 分析结果进行对比，给出了较为合理的有限元简化分析模型。 2 、采用现场实测与调研所得地基参数，用层状横向各向同性弹性半空间地基板的分析方法， 就密肋壁板结构一筏板基础与地基土相互作用的机理进行了分析。应用子结构凝聚技术将上部结 构与弹性地基上筏板基础耦合，通过a n s y s 分析了上部结构与筏板基础及地基受力性能的相互 影响。给出了密肋壁板结构与地基土相互作用的受力特性及筏板应力分布规律、基底土反力的 分布规律和地基的沉降规律。 3 、通过分析基础混凝土强度、筏板厚度以及地基土的性质等因素对筏板基础的影响，对筏 板基础进行了结构设计优化，为筏板基础的设计计算提供理论依据。 4 、通过是否考虑结构一基础一地基土相互作用分析比较，提出基础设计中应注意的问题及改 进设计方法。对唐山荣泰园小区工程实例给出了设计建议。 关键词：密肋壁板结构有限元分析结构一基础一地基土相互作用筏板基础优化设计 论文类型：应用基础研究 + 本课题为国家“十五”科技攻关资助项目( 2 0 0 2 b a 8 0 6 0 8 0 5 ) + 本课题为国家自然科学基金资助项目( 5 0 0 7 8 0 4 5 ) ， i n t e r a c t i o na n a l y s i so f m i d - h i g hr i s em u l t i - r i b b e ds l a bs t r u c t u r ea n d r a f tf o u n d a t i o na n ds o i l s p e c i a l t y ： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r n a m e ： w a n gx i a o q i a n g i n s t r u c t o r ：p m f z h a n gy m a b s t r a c t a san e ws t r u c t u r a ls y s t e m ，m r s ( m u i 6 一r i b b e ds l a bs n l j c t u r e ) h a sa c h i e v e df a i r l yg o o dr e s u l t si n t h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , b u ti t i ss t i l lab l a n ki nf o u n d a t i o nd e s i g no f m r sa n dt h ei n t e r a c t i o n o f s 口n j c 呲a n df o u n d a t i o ns o i l t h ep a p e rs u m su pi n t e r n a la n d e x t e r n a lf r u i t si ni n t e r a c t i o no f h i 幽- r i s c b u i l d i n gs u p e r s t r u c t u r ea n dt h eg r o u n da n df o u n d a t i o n ，a n da n a l y z e st h eg e n e r a l m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c a n dc o m p u t a t i o nm e t h o do f m f if o u n d a t i o n b a s e do i lt h ep r o p h a s ew o r k , t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e s o f t h e i 1 1 t e r a c 6 0 no fr a rf o u n d a t i o n , m r sa n df o u n d a t i o ns o i li sm a i n l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r c o m b i n e d w i t ht a n g s h a nr o n g t a i y u a np r o j e c lt h et a s k sa c c o m p l i s h e da r ea sf o l l o w s ： 1 w i t ht h ev e r t i c a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n to f m u l d f i b b e dc o m p o s i t es l a b ，t h es t r e s sd i s t r i b u t e d i 1 1t h eb o t t o mo fm u l t i - r i b b e dc o m p o s i t es l a bi sr e s e a r c h e d , a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw i t h a n s y si sc o m p a r e dt o o ，t h e naf a i r l yr e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y t i cm o d e l i ss e tu p 2 w i t ht h es p o ts o i lp a r a m e t e r sa n da n a l y t i cm e f l l o do fl a y e r sh o r i z o n t a li s t r o p i cs e m i s p a c e f o u n d a t i o nb o a r d , t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fm r s a n dr a p ta n ds o i li sa n e a y 剃c o u p l e s s u p e r s t r u c t u r ea n dr a f t o ne l a s t i cg r o u n dt h r o u g hs u b s l r u c t u r et e c h n i q u e ，a n a l y z e s t h e i n t e r a c t i o no fs u p e r s t r u c t u r ea n dr a ra n dg r o u n d w i t ha n s y s t h e ns u m m a f i z e st h e m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f m r sa n df o u n d a t i o ns o i la n dt h ed i s t r i b u t i o no f r a f ts t r e s sa n d t h e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tl a w s 3 f r o ma n a l y z i n gt h ee f f e c to f r a rc o n c r e t es t r e n g t h ，枷“c l ( 1 1 e s sa n ds o i lc h a r a c t e r i s t i co nr a f t f o u n d a t i o n , t h ep a p e rh a sa no p t i m u md e s i g n ，w h i c ho f f e r st h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no f r a f t f o u n d a t i o na t h e o r e t i c a lb a s i s 1 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 w i t hc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o no rn o lt h ed e s i g nm e t h o do fm r si s i m p r o v e da n ds o m e a d v i c ea b o u tt h ed e s i g no f t a n g s h a nr o n g t a i y u a np r o j e c ta r eg i v e n k e y w o r d s ：m u l t i - r i b b e ds l a bs t r u c t u r e f e ma n a l y s i si n t e r a c t i o na n a l y s i sr a f tf o u n d a t i o n o p t i m i z a t i o n t y p eo f t h e s i s ：a p p e db a s er e s e a r c h + t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt e n t h5 - y e a rk e yt e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a n u n e ( 2 0 0 2 b a 8 0 6 8 0 5 ) n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 0 7 8 0 4 5 ) i i i 声明 y 9 7 0 4 _ 6 9 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：王屹稻 日期：爻印占一亏 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩e l i 或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互茈径导师签名：；岔铂 日期：如f ； 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题提出的背景 随着国民经济的持续快速发展和人口的增长，城镇化进程的加快，我国的住宅建设发展迅 猛，住宅建设面临着广阔的发展空间。预计到2 0 1 0 年，城乡新建住宅将达1 5 0 亿平方米，数量 极为可观。为了更好地适应这一新形势，实现住宅建设的可持续发展，我国政府提出今后住宅 建设将走产业化的发展道路。 进入二十一世纪以后，我国的住宅建设已经开始逐步进入数量、质量与功能并重的阶段， 住宅产业对提高住宅质量功能技术的需求，将形成住宅产业高新技术的巨大市场。因而，新型 住宅结构体系的研究发展必将为我国住宅产业提供坚实的技术保障。 1 1 1 密肋壁板结构体系简介 密肋壁板结构体系是西安建筑科技大学建筑工程新技术研究所等于1 9 9 0 年提出并开始研究 的一种新型结构体系。按结构形式可分为多层与中高层。作为主要承力构件的复合墙板可根据 竖向及水平力的不同进行框格优化设计；隐型框架在在多层建筑中按构造设计，中高层建筑中 依据受力计算确定截面及配筋；楼板在多层建筑中可根据抗震设防烈度不同分别选用预应力空 心板、密肋复合楼板或现浇钢筋混凝土楼板，在中高层建筑中均采用现浇。 密肋壁板结构作为一种新的结构体系，汲取了异型柱框架结构、装配式轻型框架结构以及 集中配筋砌体结构等结构形式的优点，既适应了多道防线、积极耗能与避免共振的抗震理论， 又具有结构适应性强、轻质节能、保温隔声、绿色环保、产业化程度高、旄工速度快、经济效 益明显等优点。其发展和应用紧密结合我国国情，顺应了墙体改革与住宅产业化的需要，是一 种较理想的新型住宅结构体系。 1 12 密肋壁板结构体系的构成及特点 密肋壁板结构体系采用装配整体式结构方案，主要由密肋复合墙板和隐型框架梁柱构成， 结构形式如图1 1 所示。 作为密肋壁板结构中的主要构件，密肋复合墙板是以截面及配筋较小的密布钢筋混凝土梁 柱为框格，内嵌利用各种工业废料制成的轻质、保温填充块预制而成。复合墙板与隐型框架现 场整浇为一体，从而形成整体性良好的新型受力体系。密肋壁板结构中，复合墙板不仅起围护、 分隔空间和保温作用，更可作为承力构件使用，从而减小框架截面尺寸及配筋量，降低结构经 济指标。 西安建筑科技大学硕二匕学位论文 格 图l - i 密肋壁板结构构造图 密肋复合墙板在水平荷载作用下，与隐型框架共同工作，其一方面受到框架的约束，另一 方面隐型框架又受到墙板的反作用，两者共同受力，充分发挥各自性能。作为结构中抵抗竖向 及水平作用的主要构件，密肋复合墙板及其两端边框柱组成的墙段在弯剪作用下各自发挥不同 的作用：墙板主要抵抗水平剪力和承担竖向荷载，而两端边框柱主要承担整体弯矩。 密肋复合墙板中填充块体由于受到框格的约束，其中的裂缝被限制在一定范围之内，在反 复荷载作用下，一个方向荷载产生的裂缝在反方向加载时将趋于闭合，并能继续承受部分荷载， 故墙板整体承载能力不会明显降低，这使得填充块体有效参与结构的抗侧力体系成为可能，从 而可提高结构抗侧力刚度，拓展了结构的建造高度。而且，由于众多填充块体在约束条件下的 开裂与塑性变形，类似一耗能装置，一方面，其阻尼机制可以积极耗散地震能量，另一方面， 以填充块的开裂破坏使结构从一种稳定体系过渡到另一种新的稳定体系，实现周期调整以避开 地震动所引起的共振效应，可保证结构最低限度的安全，从而可有效提高结构的耗能能力，使 主体结构在大震中不致有较大损坏。由于它独特的构造特点使其承力体系的三部分构件：填充 块、内部框格及隐型框架，能够分阶段释放地震能量，形成多道抗震防线。 密肋复合墙板由于肋梁、肋柱与填充块的共同作用，使得墙板的初期刚度较大，建筑物在 风荷载或多遇地震作用时结构水平位移很小，墙体无破坏；在中等强度的水平地震作用下，墙 板内填充块体由于强度较低而开裂，块体刚度和承载力下降，而由肋梁、肋柱构成的内部钢筋 混凝土框格此时成为抵抗水平地震作用的主要构件，并限制了填充块体中裂缝的进一步发展； 当建筑物遭遇到强烈地震时，首先是墙板中的轻质填充块出现大量裂缝，导致结构的阻尼增加， 使得地震能量得以耗散，接着填充块破坏加剧并基本退出工作，结构的刚度和周期将发生变化， 此时整体结构的力学特性由于填充块的破坏而发生变化，使整个结构完成了从一种稳定体系到 另种新的稳定体系的过渡，控制了地震能量的输入。填充块破坏后，主要由肋梁、肋柱构成 的密肋复合墙板和约束它的外框架形成新的受力体系共同承担荷载作用。试验研究表明在强烈 地震动持续作用下，密肋复合墙板的肋梁、肋柱最终破坏时，整体结构由于隐型框架的存在仍 西安建筑科技大学硕士学位论文 能保持不倒，显示了结构良好的抗倒塌能力。1 。 密肋壁板结构是一种新型的结构体系，在受力机理、抗震性能、节能保温、产业化等方面 具有明显优点，与传统建筑体系进行相比，主要优点为： 1 、易于满足建筑功能要求。本结构体系的墙板装配、组体灵活，适合不同的平面布置。 2 、可对墙板进行优化设计，实现地震能量的分级释放，形成填充块、肋梁柱、隐型框架三 道抗震防线； 3 、密肋复合墙板具有消能减震作用，结构设计体现了减震思想。 4 、满足产业化的需要。由于本结构体系采用装配整体式结构方案，从而可将墙板等结构构 件做到标准化设计、工业化生产、机械化施工。 5 、满足轻型节能及绿色环保的要求。 1 1 3 密肋壁板结构体系前期的研究成果 密肋壁板结构作为一种新型的结构体系，在全国的推广应用正全面展开，它在多层房屋建 筑中的研究应用已经取得了较好的阶段性成果。做了大量墙板、墙体、填充块材及结构模型的 静力和动力试验。对密肋复合墙板的受力性能和机理，墙板简化计算模型及方法，墙板刚度计 算，在多层结构中的设计方法等都作了大量深入和有成效的研究。对中高层密肋壁板结构的理 论及计算方法研究也取得了一些可应用于实践的成果。也就是说，密肋壁板结构房屋的工程设 计方法已经建立并逐步完善起来了。但是对于密肋壁板结构与地基土的相互作用研究目前还是 个空白。本文主要就这方面展开： 作。由于目前中高层密肋壁板结构的基础设计和应用主要采 用筏板基础，因此，研究筏板基础在与上部结构、地基土相互作用中的工作性状将成为本文要 解决的关键问题。 1 2 结构与地基相互作用分析的基本理论和发展概况 任何工程结构总是坐落于地表或者掩埋于土中，结构的重量由土的支撑力和地下水的浮力 来平衡，即通常说的静力平衡。坐落于地基土上的结构体系，例如高层结构与其基础结构，和 支承介质地基土组成的静力平衡体系中，各自的工作性状( 例如变形和内力或应力) 不仅取决 于荷载的大小与分布，在一定意义上更取决三者抵抗变形的刚度大小及其相互关系。 结构与地基的相互作用即是把结构、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。结构、基础和地基三者虽然 各自功能不同、研究方法各异，但是在荷载作用下这三部分是相互联系、相互制约的整体。结 构与地基相互作用的分析方法与以往的常规方法有较大的不同。在常规分析方法中，是先把上 部结构隔离出来，并用固定支座来代替基础，求得上部结构的内力和变形以及支座反力，但在 支座是没有任何变形的；接着把支座反力作用于基础上，用材料力学方法求得地基反力r ，地基 西安建筑科技大学硕士学位论文 反力是线性分布的，从而得到基础的内力和变形；再把地基反力作用在地基或桩上来设计桩数 或校核地基强度和变形。这种设计方法忽略了基础的变形和位移，人为的把地基基础分开计算。 这显然是一种比较粗糙的简化方法，这种简化方法是人们在早期以手算为主的条件下，为了减 少计算工作量而迫不得已采用的计算方法。通过工程实践检验，发现上部结构实际内力往往与 常规设计理论值有很大差距，底层梁柱和边跨梁柱尤为明显，甚至出现严重开裂。相反，基础 的内力则比常规设计理论值小得多。因此，对上部结构与地基基础相互作用即共同工作进行精 确的分析和计算，既是现代计算技术发展的必然结果，也是工程建设的需要。 因为地基土属于半无限体，所以上部结构与地基基础的相互作用通常都是三维空间问题， 计算工作量非常大。另外，地基土是三相体，由于水的存在，使地基土的物理力学性质与刚筋 和混凝土的了力学性质截然不同，这就使上部结构与地基基础相互作用分析难度大大增加，故 分析是相当复杂的。因此，在结构与地基相互作用分析中，精确的三维分析、各种不同的简化 方法以及实验分析都是不可缺少的分析手段。 结构与地基基础相互作用学科是一门新兴的学科，目前，结构与地基基础相互作用问题己 越来越受到工程乔的重视。早在二十世纪5 0 年代已开始注意，梅耶霍夫( g g m e y e r h o f ) 1 3 | 提 出估算框架等效刚度的公式以考虑相互作用。尔后，芩米斯基( s c h a m e c k i ) ，格罗斯霍夫 ( h g r o s s h o f ) 相继研究单独基础上多层框架结构与土相互作用问题。进入二十世纪6 0 年代，萨 玛( ls o m b e r ) 提出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，这些工作 在土与结构静力相互作用中具有开创性的作用。进入二十世纪6 0 年代中后期，随着电子计算机 和有限元法的发展，对相互作用问题的研究才有了真正的突破。申凯维茨和张佑启 ( 0 c z e i n k e i w i c i z 和y r c h e u n g ) 1 4j 应用有限元理论对地基基础的相互作用进行了研究。普 齐米尼斯基( j r p r z e m i e n i e c k i ) 提出了子结构的分析方法，为哈达丁( m j h a d d a d a d i n ) 首 次利用子结构的分析研究地基基础与上部结构相互工作打下基础。翌年，克里斯琴( c h r i s t i a n ) 在高层规划与设计会议上阐述了高层建筑与地基相互作用的问题，促使了该课题的广泛开展。 进入二十世纪7 0 年代以后，对该课题的研究不断增多，到了1 9 7 7 年在印度召开了第一次“土 与结构物共同作用”，这次会议集中反映了该课题在当时的新水平。以后对相互作用课题越来越 引人注目。几乎涉及到所有工程问题。例如，在第十、十一届国际土力学及基础工程会议和( 1 9 8 1 ， 1 9 8 5 ) 和第三、四、五、届国际土质力学的数值方法会议( 1 9 7 9 ，1 9 8 2 ，1 9 8 5 ) 均有一个“土 与结构物共同作用”组进行讨论，h g p o u l o s 利用m i n d l i n 公式提出桩与地基土共同工作的弹 性理论法，推动了桩土与上部结构相互工作的深入研究，他在第十届国际土力学及基础工程会 议上作了土和结构物共同作用的总报告，详述了土与结构物共同作用的发展和前景。 在国内，二十世纪6 0 年代初对相互工作也作过一些研究工作，进入二十世纪7 0 年代，随 着高层建筑的发展，进一步推动了对这一问题的理论研究与实测工作。从1 9 7 4 年起，先后在北 京、上海、等地区对十幢高层建筑与地基基础相互作用进行了比较全面的现场测试，在理论上 西安建筑科技大学硕士学位论文 进行了比较系统的研究，积累了宝贵的经验和难得的数据，为我国高层建筑箱形基础设汁与 施工规程( j c j 6 - 8 0 ) 的编制创造了有利条件，使我国的箱形基础设计提高到一个新的水平。 1 9 8 2 年、1 9 8 6 年、1 9 9 0 年，我国第一、第二、第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、第五、第六届土力学及基础工程学术会议均役有共同作用专题组进 行研讨。特别是在1 9 9 3 年召开了第一届结构与介质相互作用学术会议，使共同作用课题不仅在 岩土工程中得到了发展，而且应用到其他学科中去。1 9 8 5 年董建国、路佳等对共同作用原理在 高层建筑地基基础中的应用作了首次尝试。随着建筑物越来越高，高层建筑与桩的共同作用研 究也得n t 深人开展，赵锡宏等著上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论反映t - - - 十世纪 8 0 年代后期该课题的理论和实践成果。董建国等【5j 对共同作用在设计上的应用提出建议，杨敏 对上部结构与桩筏基础共同作用作了深入的理论和试验研究。黄绍铭，裴捷等的减少沉降桩的 研究与其在多层建筑的应用以及疏桩工程的设计均是上部结构与地基基础共同作用理论在基础 设计上的应用。在承台一桩一土共同作用的研究上，我国学者也做了大量的室内模型试验和一些 有代表性的现场试验。为更深人地探讨上部结构一桩一二 二共同作用问题奠定了坚实的基础。但以 往的研究都有各自的局限性，例如模型试验在桩承台及地基土重塑等方面不能较好地模拟工程 实际，而现场试验由于费用高、周期长而不能普遍采用。因此，必须寻求更加完善且反映实际 的设计方法，来探讨上部结构一地基一基础相互作用的机理。 结构与地基相互作用分析难度大，通过理论和实践的分析，已得到了一些定胜的结论，可 用于工程实践。现在更重要的是给出相互作用的定量分析，相互作用课题的研究，涉及三者本 身特性的结合，由于影响因素很多，互相结合成一个整体进行研究，确实相当复杂和困难，主 要表现在建筑物的施工和使用期间，地基变形的变化规律，建筑物的刚度变化，它们之间的相 互影响，地基的差异变形引起建筑物内部荷载和应力的重分布，在施工期间的施工条件对地基 变形和建筑物刚度的影响，高低建筑物基础的差异沉降，桩筏( 箱) 基础的差异沉降和变化规 律等等问题，可知相互作用问题的范围广泛与复杂。 1 3 本文的主要内容和研究方法 l 、结合唐山荣泰园小区工程实际，在对场地土性质分析的基础上选择合适的地基模型，通 过对高层密肋壁板结构与地基土相互作用的数值分析与理论研究，指明了上部结构与地基土相 互作用的受力特性，获得筏板基底土反力的分布规律和地基的沉降规律。根据上部结构、基础 和地基共同作用的实际工作情况，利用空间结构有限元对上部结构进行分析，再应用子结构凝 聚技术将上部结构的有限元和层状弹性半无限体地基上筏板基础的有限元耦合，通过a n s y s 程 序分析上部结构与筏板基础及地基受方性能的相互影响。 2 、通过对密肋壁板结构与地基土相互作用的受力行为的进一步分析，研究在相互作用下上 部结构形成“次应力”，筏板上的整体弯矩、内力降低，而地基不均匀沉降减小等规律。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 、对筏板基础进行结构、发计优化，为筏板基础的设计计算提供理论依据。通过分析基础的 选型、混凝土强度、筏板厚度、荷载以及地基土的性质等因素对筏板基础的影响，对筏板基础 进行优化设计。 4 、通过是否考虑相互作用的问题对结构进行分析对比，指出基础设计中应注意的问题，以 改进设计方法，使密肋壁板体系基础设计从技术上和经济上更加合理。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 结构与地基基础相互作用的理论分析 2 1 上部结构、基础与地基的关系 2 1 1 匕立陛吉构与基础 上部结构与基础的相互作用情况可以以两者抵抗变形的刚度及其相对大小来考虑。上部结 构的刚度，指的是整个上部结构对基础不均匀沉降或挠曲的抵抗能力( 或称整体刚度) 。首先当 考虑上部结构为绝对刚性时的其情况，如图2 一l a 所示： h 严妒p 寸呻陟 图2 - 上部结构刚度对基础内力的影响 当地基下沉时，如果忽略各柱墙的抗转动能力，则基础梁犹如倒置的连续梁，不产生整体 弯曲，以各柱墙为不动铰支座，只产生局部弯曲；如果为绝对柔性时，如图2 一l ( b ) 所示，即 上部结构对基础完全无约束作用，则基础不仅发生局部弯曲，还产生较大的整体弯曲。这两种 情形下的基础内力与分布形式有非常大的差别，实际上一般情况介于二者之间，刚度大的结构 能够抵抗和调整地基变形，但会在结构内产生很大的次应力，使结构产生裂缝；而对于地基基 础间的共同作用而言，上部结构的参与机理相对明确，处理办法也较固定，尤其对于规则的结 构，文献【6 j 采用等代刚度法对上部结构进行处理，文献1 7 州采用子结构法对上部结构进行处理， 从而自上而下刚度凝聚及自下而上回代求解，因此，相对于上部结构而言，基础与地基的共同 作用则更加显得重要：地基基础是整个结构物的支撑约束与边界条件，地基约束条件取得不 同，计算结果就迥异；考虑三者共同作用时，上部结构刚度的贡献：首先，其作用最终通过 求解地基基础结构方程求得，其次，工程积累与试验研究对上部结构参与共同作用的程度与时 机已有大量的积累；文献【6 j 提出了在分析整体弯曲作用时，将上部结构简化为等代梁，按照无 榫连接的双梁原理，将上部结构框架等效刚度和箱型基础刚度叠加得总刚度，按静定梁分析各 截面的弯矩和剪力，并按刚度比将弯矩分配给箱型基础的计算原则；考虑到上部结构刚度对基 础的贡献并不与层数的增加而简单的增加，而是随着层数的增加逐渐衰减的事实，北京工业大 西安建筑科技大学硕士学位论文 学孙家乐、武建勋则利用二次曲线型内力分布函数，考虑了在此的压缩变形，推导出连分式上 部结构等效刚度公式，利用该公式算出的结果，分析了上部结构刚度的贡献。 2 1 2 基底反力分布对基础受力状况的影响 1 、土的压缩性及其均匀性的影响：基础受力状况( 包括上部结构) 还取决于地基二l 的压缩性( 即 孔隙比或刚度) 及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时，基础结构不仅不产生整体弯曲，局 部弯曲也很小；上部结构也不会医j 不均匀沉降产生次应力。 2 、基础与地基界面处的边界g d 牛- 及影响：分析基础与地基的相互作用就必须确定两者界面处的 边界条件，实际上非常困难。界面处往往显示出摩擦特性，由于土的抗剪强度有限，形成的摩 擦力不会超过土的抗剪强度。同时，孔隙水压力的变化，可能改变压缩过程中的摩擦力大小和 分布。另外，外荷载的分布和性质、基础的相对柔度以及土的蠕变等涉及时间变化的效应都会 影响到边界条件。因此，应从完全光滑到完全粘结这两种极限情况之间来滇重估计摩擦力的影 响。一般来说，粘着与摩擦总能减小基础的沉降，对于非常柔性的基础，影响更大些。除了摩 擦条件外，还有界面的接触脱离条件，不言而喻，基础与地基土都曾经有过充分的接触咬合， 与基础的材料相比，土的抗拉与抗剪强度都较低，如果由于基础的局部弯曲，地基土将不能阻 止两者间的侧滑与脱开。不过，一般而言，在竖向荷载作用下基础与地基总是较好的接触的， 除非在基础受力很不良好的情况下( 发生较大的倾斜) ，可能脱开。总之，基础与地基的摩擦条 件和触离条件是非常复杂的。为了充分反映接触面的受力特性，本文利用a n s y s 有限元软件， 建模时假定地基与基础接触面满足位移协调矧- t - ，有效的模拟了地基基础相互作用的实际l 青况。 2 1 3 基底反力与沉降关系 地基土的沉降表现为建筑物的最终沉降。而确定地基土的压缩量一般都由持力层地基土上 的地基反力来计算，而放在时间轴上看反力的大小随着基础地基的相互作用发生变化，好在 这种变化不大，因此采用某一时刻的地基反力分析变形，不会产生太大误差。 综上所述，建立在大量理论研究与工程实践的基础上，对上部结构、基础与地基三者相互 作用的关系已有相当的了解，而这种相互作用关系是非常复杂的，不明确的因素也多，与地基 假定、本构关系等密切相关。从三者关系来看，基础起到承上启下的作用，上部结构受力、地 基变形都是通过基础起作用的，而上部结构可以通过刚度的凝聚方法，也最终归结到基础刚度 上来，因此，上部结构也可认为是广义基础的一部分，从而归结到求解地基与基础的相互作用 上来。 2 2 地基模型概述 地基模型亦称本构定理( c o n s t i t u t i v el a w ) ，本构关系( c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ) ，是 研究土体在受力情况下的应力一应变关系。广义地说，它为应力、应变、应变率、应力水平、 西安建筑科技大学硕士学位论文 应力历史、应力路径、加载率、时间和温度之间的函数。 基础放在地基上，两者之间是相互关联的，地基上的梁和板的分析，必须建立在某种理想 化的地基模型，这种模型应尽可能准确地模拟地基与基础相互作用时所表现出来的力学性状， 同时又要便于利用已有的数学方法进行分析，随着人们认识的发展，曾提出不少地基模型，然 而，由于问题的复杂性，不管哪一种模型都难以反映地基工作性状的全貌，因此各具有定的 局限性。 合理的选择地基模型是共同作用分析中非常重要的问题。它不仅直接影响地基反力及基础 的侧移和沉降，而且影响基础和上部结构的内力与变形分布。因此，在相互作用分析中，必须 了解各种地基模型的使用剩牛，选择合适的地基模型。 2 21 常见的几种地基模型 文克尔( w i n k l e r ，1 8 6 7 ) 模型是一种最简单的线弹性地基模型，它假定地基土界面上任意 一点处的沉降w ( x ，y ) 与该点所承受压力的强度p ( x ，y ) 成正比，文克尔模型的特征是把土体视 为一系列侧面无摩擦的土柱或彼此独立的弹簧，在荷载作用区域下立刻产生与压力成正比的沉 降，而在此区域外位移为零，该模型的最大缺点是没有考虑到土介质的连续性；弹性半空间模 型，它起源于经典连续介质力学的成果，弹性半空间模型又可分为均匀各向同性半空间模型、 不均匀各向同性弹性半空间模型【9 ”j ；层状横向各向同性弹性半空间模型用以描述层状分布土 层，由于地基土往往是成层沉积而成，呈层状分布，在各层内土的性质比较均匀，而各层之间 差别较大，此外，由于扁平颗粒在沉积过程中的趋向关系，土体在水平方向和竖直方向的性质( 变 形模量、泊桑比和剪切模量等) 存在差异，呈现各项异性现象，例如水平模量通常大于竖向模 量，而在水平面内却往往是各向同性的，构成以水平面为同性面的所谓横向各向同性弹性体。 近十几年来，成层连续体模型日益受到重视。许多研究学者，例如金( k i n g ，1 9 7 8 ) 、虎泊 ( h o o p e r ，1 9 7 5 ) i i i i 等，认为成层均匀的横向各向同性弹性半空间模型可较好地描述实际地基的 特性。 土体颗粒在沉积过程中的取向决定了土体在水平与竖向性质的不同，呈各向异性。但在每一 层土体中，这种竖向不均匀性比各层之间的差异要小得多，为了计算简便可假定土体在每一层中 各向同性。对于岩f 生地基，完全可以当作连续弹性体，但对土壤地基来说，只能作近似假定。土壤 是松散的颗粒体，不能承受拉力。它在受压后，变形是由弹性变形和永久变形( 塑陛变形) 组成的， 并且永久变形大于弹性变形。但尽管如此，常常将土体假定为弹性体。因为按地基的工作条件， 主要是加载，( 恒载在一般民用房屋占8 0 9 6 以上) 通常总是受压的。同时，在基础设计中，地基的承 载力是有限制的，塑隆变形只能在很小的范围内( 一般在筏基的角点区域) 明显发生，为了计算的 简化可以忽略。 由于实际的地基可近似的看作成层、横向各向同性、竖向各向异性的半空间无限体，而层 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 状横向各向同性半无限体模型能较好地描述地基的这些特性，本文将采用这一模型进行共同作 用分析。 2 2 2 层状横向各向同性弹性半无限体模型 地基土往往是成层沉积而成的，在各层内比较均匀，而各层之问差异较大。由于土体沉积 过程中在竖向呈现为各向异性，水平向模量巨大于竖向模量巨，而在水平面内则是各向同性的， 构成横向各向同性弹性体。 图2 - 2 层状横向各向同性半无限体模型 如图所示，其应力一应变关系为： 2 詈一心詈一晴 勺2 詈一詈一詈 t 2 詈一嚏一睦 t 2 茸一h 酋一段i 。：旦 79 g 2 ，。：。 呸 k ：妥 式中 各向同性平面内土的弹性模量： “各向同性平面内土的泊松比： 最垂直于各向同性平面内土的泊松比 ( 2 1 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 坞垂直于各向同性平面内土的泊松比； g 。各向同性平面内土的剪切模量； g 2 垂直于各向同性平面内土的剪切模量： 。：旦 如 一t 述应力一应变关系写成矩阵形式为： a _ 【d 怍)( 2 2 ) 式中 盯 应力列向量： s 应变列向量： d 弹性矩阵； 其中弹性矩阵为： d 】= d id 2d 3 d 2d l 吗 0 d3 如d 4 o d l = 2 n ( 1 一n ；) 如= 2 n l t 2 ( 1 + ，柚 舯吃2 焘 ( 1 + i t 。) ( 1 一, u l 一2 n l l ；) = 雕d 3 到 式 d 。= a n ( “+ 谢) d 。= l ( 1 一衍) d 6 = g 2 e n = 1 正 ( 23 ) ( 2 4 ) 有限压缩层地基模型是利用我国地基基础设计规范计算地基变形的分层总和法公 西安建筑科技大学硕士学位论文 s = 争i = 1 乳e s i i ( 2 5 ) 式中 n 土层的分层数； 红第i 层土层的厚度： 正第f 层土层的平均附加应力； e 。第i 层土层的压缩模量。 分层地基模型能较好地反映基底下各土层的变化特性，并且在实践中已积累了不少经验，在结 构与基础相互作用分析中得到比较满意的结果。 2 2 4 弹塑性地基模型 土体和结构的单元刚度是根据它们的本构关系加以确定的。在相互作用有限元分析中，考 虑到上部结构( 通常为钢筋混凝土) 往往在弹性工作范围，对上部结构和基础常采用线弹性本 构模型，而对地基土一开始就表现出明显的非线形，因此为了更好的接近实际情况，应尽可能 采用非线性模型或弹塑性模型。常用的非线形弹性模型有邓止_ 张双曲线( d u n c a n - c h a n g ) 模型、 k - g 模型等，常用的弹塑性模型有剑桥( c a m _ c l a y ) 模型、莱特一邓肯( l a d e - d u n c a n ) 模型等，详 见参考文献1 “。 a n s y s 程序中为了描述岩石、土等地质材料的性质，考虑静水压力及材料粘性与摩擦角的 影响，常用的材料的弹塑性模d p 模型。所谓d p 材料，是指材料使用d r u c k e r - p r a g e r 屈服准则， 此屈服准则对m o h r c o u l o m b 准则给予近似，以此来修正y o nm i s e s 屈服准则，即在v o nm i s e s 表达式中包含一个附加项。其流动准则既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则， 其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力 ( 静水应力) 的增加而相应增加，其塑性行为被假定为理想弹塑陛。 模型参数中角度的单位是度，膨胀角妒，用来控制体积膨胀的大小，对压实的颗粒状材料， 当材料受剪时，体积将会膨胀，如膨胀角庐r = 0 ，则不会发生体积膨胀；如果，= 妒( p o ) ， 受剪时材料将会发生体积膨胀，因此，采用，= 0 是一种比较保守的方法。 d p 模型中，c 、妒与材料常数以及受拉屈服应力仃。有如下关系： 如果已知单轴受拉屈服应力和单轴受压屈服应力，则内摩擦角和粘聚力可表示为： 妒：s i n 1 i 掣i ( 2 - 6 ) l 2 + 4 3 # j 。：! ：! 誓二业!( 2 _ 7 )l 一 l - ，j o c o s o 其中，和盯、，与受压屈服应力和受拉屈服应力的关系为： 西安建筑科技大学硕士学位论文 口：孚 堡( 2 8 ) 4 3 ( 盯。+ o - ，) 旷意与 妲踟 2 3 地基模型的确定 地基模型是指地基在荷载作用下地基土的应力应变强度关系。合理选择地基模型是“相 互作用”分析中的一个重要问题，对分析精度影i j 向颇大。它不仅直接影响基底反力的分布，而 且影响基础和上部结构内力的分布。i 园此，在选择地基模型时，首先要了解各种地基模型的适 用条件，选择符合或比较接近场地：t 特性的地基模型。比较普遍的看法认为用连续性模型得到 的解，比用文克尔地基模型得到的解更符合实际【o 】。高层建筑的筏基如位于无粘性土上，当上 部结构采用框架，筏的刚度不很大，在未加刚性填充墙时，可采用文克尔地基模型。但上部结 构如为墙板结构，大大增强了基础的刚度，文克尔地基模型就未必适应了，这时应尽量选取连 续性模型。根据本文的研究对象，应采用连续型地基模型。 2 4 地基模型参数的确定 从土与结构相互作用的角度来看，种地基模型的有效性或适用性取决于下列两个方面：一 方面是模型中的参数由试验室或现场试验测定时的简易程度和准确性，另一方面是由基础工作 状态的现场实测结果证实了的理论分析的准确性和可靠性。因此，模型参数的确定方法和准确 性是非常重要的，它不仅仅是具体测试的直接结果，而且要考虑理论与实测性状的一致性，根 据由实践经验总结的认识予以综合确定。 对地基土的各类参数的具体测试方法和手段，涉及现场试验和原位测试技术时在文献中 有详细的介绍。本节主要强调各参数取值的影响因素与经验范围，特别是从各类模型之间相互 关系与对比上合理确定有关参数。 241 地基变形模量e 的确定 1 、按荷载试验 e o = 国( 1 一届) p i b s l ( 2 1 0 ) 式中： 荷载板形状调整系数，方形取o 8 8 ，圆形取o 7 9 ： b 荷载板变长或直径； s 试验得到的p s 曲线上与比例界限p ，对应的沉降。当直线段不明显时，对粘土取 s l = 0 0 2 b ，对应荷载为b ，对砂土取s l = ( 0 0 1 4 ) 1 5 ) b 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 、按旁压仪试验 e o = m o 一硒2 ) p l a 2 s 1( 2 1 1 ) 式中： p i 旁压仪试验曲线直线段上的比例极限( m p a ) ； s 与p 。相对应的量测管水位下降稳定值( m ) ： a 钻孔半径( m ) ： m 旁压系数，与仪器规格、土类有关： 3 、利用e o 与巨的关系 e o = e( 2 1 2 ) 式中的理论值为 = 1 2 胁 此式主要与土性有关，并不可靠，可按大量工程实践的沉降计算分析得到的经验值，参 见文献。 2 42 地基土弹l 生模量e 的确定 l 、由室内三轴试验或单轴压缩试确定 取未扰动土样，在自重应力水平下固结，然后在不排水条件下施加轴向压力。当轴向压力 增量与现场条件下承受的压力相等时，再卸载到固结压力。，如此反复5 - 6 次，则e 值可取为初 始切线模量巨或最后一次加载时，其应力水平等于历次施加最大轴向应力一半处的切向模量 e ，亦称为再加载模量，可参见文献。 2 、按经验公式及确定 对于无粘陛土，可采用静力触探试验所得比贯入阻力吼( m 向来确定 e = 2 q c ( 2 1 3 )