1、高層建筑樁基礎的抗震模型與分析 【摘要】就樁基礎的簡化模型和地下室周邊土體模型的處理進行闡述分析,分析六彈簧模型彈簧剛度和等代土彈簧的彈簧剛度的計算方法和計算過程,并根據某一單質點模型計算分析得出嵌固部位選取的初步推論。 【關鍵詞】樁基礎,高層建筑,土體模型,地下室 樁-土-上部結構的相互作用是極為復雜的動力相互作用問題,通過實驗室試驗或振動臺模型現場試驗能采集到一定的檢測數據,在此基礎上通過有限元軟件分析模擬能更好的研究分析相互作用對上下部結構性能的影響。由于軟件運算速度和規模的局限性及實際土體特性的復雜等,要通過有限元完全再現模擬實際工程是不太現實的,往往需要有一定的簡化方法,從而完成實際
2、工程的有限元分析。本章主要講述利用有限元進行高層建筑抗震分析時的一些簡化措施等。 1樁基礎的抗震簡化模型 樁基礎是大多數高層建筑常用的基礎形式之一,樁基礎的形式多樣化,且結構受力及影響因素很多。對此,在結構計算中通常利用簡化模擬方法,對樁基礎以簡單的計算模型來簡化處理,使得分析計算簡便化的同時也能比較真實的體現上部結構受樁基礎的影響情況。一般群樁基礎的簡化模型 包括集中質量模型、嵌固模型和六彈簧模型等,如圖1,2和3所示。本文在數值模擬過程中,為縮短建模工程,減小計算量,采用六彈簧模型簡化處理樁基礎。 六彈簧模型是指不直接用單元模擬出樁基礎,而是將樁基礎以在承臺底部中心施加6個方向彈簧(包括x
3、,y,z方向上的抗壓剛度,以及兩個水平軸的抗彎剛度和豎軸抗扭剛度)的形式簡化模擬來近似考慮樁土相互作用,然后進行上部結構抗震計算分析的方法,如圖3所示。有關彈簧剛度的計算可參考現行規范中的“m”法來計算,使承臺底部中心有單位轉角或位移產生時所需要的相應彎矩或力即為彈簧的剛度。采用六彈簧法對樁基礎進行簡化,計算量相對減小了,同時通過實際的應用和分析表明,對于低樁承臺結構采用該簡化方法計算分析時具有較好的精度。本文擬采用六彈簧法對樁基礎進行簡化模擬。 2地下室周邊土體模型的處理 對地下室外墻周邊土體對結構的約束作用可以考慮采用SAP2000軟件中的非線性連接單元或是線彈簧單元來近似模擬。本文中將地
4、下室周邊的土體用單向剛度的面彈簧和JointSpring單元來模擬,由各土層的深度和特性來確定各層土體所需的土彈簧,擬通過參考公路橋梁設計中常用的樁基靜力設計方法,即“m法”來計算土彈簧剛度K,即求解外圍土體作用在地下室外墻和承臺外側的抗力。 根據文克勒地基模型假定單位面積上的壓力p與地基沉陷s成正比,在m值法中,假設地基土體水平抗力系數與土體深度之間是線性增加的關系,即C=m?z,則土彈簧在埋深Z處的抗力可由式1表示出來: 公式中:zx為在埋深Z處的土體抗力;C為地基土的水平抗力系數;Z為彈簧的計算深度;m為地基比例系數; Xz是土彈簧位置處的變形量(壓縮或伸長)。 從而,計算得出等代土彈簧
5、的剛度Kx如公式2所示: 公式中:bp是計算土層的計算寬度;a是計算土層的厚度。本文中,在計算地下室周邊土體的等代土彈簧剛度時,將a和bp設定為單位長度,即1m,從而求出單位面積上的等代土彈簧剛度值。 有關地基土體的比例系數m的取值,建筑樁基技術規范(JGJ94-2008)有規定表明m的取值宜根據水平靜載試驗來確定,若有關靜載試驗的資料不充分或是沒有,則可按規范中的表1取值。另外,本文主要研究的是結構在地震作用下的動力響應,由于土抗力在瞬時荷載下的作用一般要比在持續荷載下的大些,對此比例系數一般取值為md=(23) ms(d指動態,s指靜態),本文取動地基系數為靜地基系數的2.5倍。 3單質點
6、模型分析 3.1懸臂梁模型 采用某一懸臂梁模型進行研究分析,懸臂梁截面為0.8m 0.8m,材料為C40混凝土,上部高度為10.8m,下部埋深為3.6m。豎向荷載只考慮構件自重,輸入X方向的EL-Centro 波進行時程分析,并定義時間步長為DT=0.01,輸出時間步為NT=500。下部埋深處土體特性同下節工程算例的地質特性,根據上節所描述的“m”法運用單向受壓的點彈簧簡化處理,彈簧剛度K=75000kN/m,在埋深處每0.6m設置點彈簧。建立模型如下圖所示。 圖4分析模型D透視圖圖5分析模型X-Z立面圖 通過計算分析,得出考慮土體約束和不考慮土體約束而設置不同嵌固端時頂點位移情況如表2所示。
7、 表2不同情況下頂點位移比較(Joint9) 從表2可以看出,懸臂梁有一定埋深時:當考慮埋置深度處的側向土體的約束作用時,結構的頂點位移與將埋深處的底端直接嵌固的情況相比,要小些,二者相對誤差為28.36%;嵌固部位不同時,結構的頂點位移不同,且與考慮土體約束情況相比也不同;當在埋深-2.645m處嵌固時,此時結構的頂點位移與考慮土體約束時相比,二者是相同的。 3.2參數變化情況 以上節懸臂梁模型為基礎,本小節主要研究埋置深度變化,構件剛度變化以及土體剛度變化時對嵌固部位選取的影 響。 1、構件剛度的影響 為研究構件剛度對嵌固部位選取時的影響,改變構件截面計算分析得出不同截面下嵌固位置情況如表
8、3所示:表3不同截面下頂點位移和嵌固端比較(Joint9) 從上表可以看出:構件截面增大,剛度增大,在地震作用下,頂點位移減小;隨著構件截面的增大,嵌固位置下移。 2、埋置深度的影響 為研究結構埋置深度變化對嵌固部位選取的影響情況,通過改變懸臂梁埋置深度計算分析得出不同埋置深度下嵌固位置情況如表4所示: 表4不同埋置深度下頂點位移和嵌固端比較(Joint9)從上表可以得出:當懸臂梁埋置深度增大時,其頂點位移最大值有所增加;隨著埋深的增加,嵌固位置下移,且嵌固端至0.000的距離與埋置深度的比值減小。 3、土體剛度的影響 本文中就埋深處的土體對結構的約束作用采用單向受壓的點彈簧模擬,根據下節工程
9、實例的地質特性改變土彈簧剛度來研究土體剛度變化對嵌固部位選取的影響情況,計算分析得出不同土體剛度下嵌固位置情況如表5所示:表5不同土體剛度下頂點位移和嵌固端比較(Joint9) 從上表可以看出:懸臂梁頂點位移最大值隨著土體剛度的變化而變化,當土體剛度增大時,其頂點位移減小;當土體剛度增大時,嵌固位置上移。 結束語 隨著我國城市人口密集的加劇和都市化進程的逐漸加快,帶地下室的高層建筑得到迅速發展。一般來說,上部結構、地下室、基礎和地基四部分共同組成帶地下室高層建筑的完整體系,各部分的內力和變形情況是相互依賴和相互制。在考慮四者相互作用條件下,對高層建筑的地震反應進行分析不僅能使計算結果與結構實際
10、工作狀態更符合,而且有利于結構設計的安全、經濟和合理性。 參考文獻 1 門玉明. 土結構動力相互作用問題的研究現狀及展望J. 力學與實踐,2000,22(4):1-7. 2 孫樹民. 土結構動力相互作用研究進展J. 中國海洋平臺,2001,16(5,6):31-37. 3 蔣建國,周緒紅,鄒根生等. 土結構動力相互作用研究的發展歷程及展望J.巖土工程界,2001,4(6):47-49. 4 張俊勝. 土結構動力相互作用的研究方法及發展趨勢J. 國外建材科技,2005,26(1):54-56. 5 朱百里,曹名葆,魏道垛. 框架結構與地基基礎共同作用的數值分析J. 同濟大學學報,1981,(04):15-31. 6 孫家樂,武建勛. 考慮框架結構與地基基礎相互作用的等效剛度公式研究J.北京工業大學學報,1986,12 (3):57-67.
全部分類
標準檢索
招標公告
免費下載資料庫
10000份+資源包
千萬vip文檔暢享下載
下載文檔文件編輯即用
網站精選百萬好案
百萬工程地產工作者都在用
微信掃一掃登錄
