框架結(jié)構(gòu)建筑上部結(jié)構(gòu)與地基和筏板基礎(chǔ)共同作用淺議

　　關(guān)鍵詞：筏板基礎(chǔ)；剛度

　　1工程結(jié)構(gòu)概況

　　某一筏板基礎(chǔ)形式的框架結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)簡(jiǎn)化后其結(jié)構(gòu)概況為：12層3×2跨框架，柱網(wǎng)6m×6m，層高均為3.5m，框架梁截面尺寸0.30m×0.75m，框架柱截面尺寸0.65m×0.65m，筏板的厚度為0．5m，樓面荷載和墻體荷載簡(jiǎn)化到框架梁上，梁均布荷載均取35kN／m，風(fēng)荷載取15kN／m(風(fēng)向沿x軸正向吹)，基礎(chǔ)和框架的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35。基床系數(shù)10000kN／m3，切向地基反力系數(shù)10000kN／m3，筏板懸挑長(zhǎng)度為1.0m。

　　2建立有限元模型

　　基于上述結(jié)構(gòu)概況，文中利用有限元分析軟件ANSYS建立計(jì)算模型，包括不考慮相互作用和考慮相互作用兩種情況。上部結(jié)構(gòu)的梁和柱都采用BEAM188單元，該單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，考慮了剪切變形的影響。

　　模型中，采用實(shí)體單元SOLID45模擬筏板。地基模型的計(jì)算采用Winkle模型，用ANSYS中的CONBINl4彈簧單元作用在筏板模型的節(jié)點(diǎn)上來(lái)模擬Winkler地基的作用，地基彈簧的剛度根據(jù)k=EA/L來(lái)確定，其中E為地基土的彈性模量，A為筏板節(jié)點(diǎn)的有效土作用面積，L為模型中彈簧單元的長(zhǎng)度。

　　在劃分筏板網(wǎng)格時(shí)，為了能在筏板與柱結(jié)合處產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)，先通過(guò)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)命令，將工作平面采用置于柱與筏板結(jié)合的地方，然后使用asbw命令，用工作平面將實(shí)體進(jìn)行切割并劃分網(wǎng)格，這樣在結(jié)合處會(huì)生成節(jié)點(diǎn)，然后用numemp命令合并相同位置處的節(jié)點(diǎn)。

　　3計(jì)算分析

　　3.1分析共同作用與常規(guī)方法對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

　　分別對(duì)考慮共同作用(工況1)與不考慮共同作用(工況2)進(jìn)行了分析比較。

　　經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)不考慮共同作用時(shí)，把上部框架結(jié)構(gòu)的底層柱看作固定支座，固定于基礎(chǔ)上，底層柱子的彎矩值比共同作用分析所得的彎矩值小，大的相差將近6倍。中間柱底的軸力比共同作用分析所得的軸力小，角柱底的軸力比共同作用分析所得的軸力大，最大的相差達(dá)9％。這是由于沒(méi)有考慮基礎(chǔ)的沉降差，引起上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力的影響，使得上部結(jié)構(gòu)部份構(gòu)件偏不安全。筏板對(duì)稱軸(x軸)上節(jié)點(diǎn)的彎矩值變化大，最大的相差達(dá)8％。這是因?yàn)闆](méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)，使得筏板的受力與實(shí)際不符。由此可見(jiàn)，忽視上部結(jié)構(gòu)參與共同作用，給上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)和地基的分析可能會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

　　3.2剛度變化時(shí)結(jié)構(gòu)的受力和變形分析

　　框架結(jié)構(gòu)建筑的上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基是一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)整體，三者相互聯(lián)系相互影響。改變它們中任何一部份的剛度，均會(huì)引起彼此的內(nèi)力和變形的變化。本文利用編制的程序進(jìn)行計(jì)算，分別改變?nèi)�者剛度的大小，�?duì)框架一筏板一地基的共同作用的受力和變形進(jìn)行了分析、比較。

　　工況1，見(jiàn)工程結(jié)構(gòu)概況。

　　工況2，采用工況1的結(jié)構(gòu)形式，把框架梁截面尺寸改為0.30m×0.6m，框架柱的截面尺寸改為0.55m×0.55m作用時(shí)結(jié)構(gòu)的受力與變形。

　　工況3，采用工況l的結(jié)構(gòu)形式，把地基的基床系數(shù)改為20000kN／m3，分析共同作用時(shí)結(jié)構(gòu)的受力與變形。

　　工況4，采用工況l的結(jié)構(gòu)形式，把筏板的厚度改為0.4m，分析共同作用時(shí)結(jié)構(gòu)的受力與變形。

　　由工況l～工況4計(jì)算，可得底層柱底和筏板對(duì)稱軸上節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力，見(jiàn)下表1-表3。

　　由工況l-工況4計(jì)算，可得底層柱底和筏板對(duì)稱軸上節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力，分析可知：

　　由工況1和工況2可知：當(dāng)把框架梁的截面尺寸0.3m×0.6m改為0.3m×0．75m，框架柱截面尺寸0.55m×0.55m改為0.65m×0.65m，其它條件不變時(shí)，沿x軸邊柱1～4和9～12的軸力減小，最大的相差約3％，彎矩Mx、My增大，最大的相差約40％；中柱5～8的軸力增大，最大的相差約4%，彎矩My增大，最大的相差達(dá)27％。筏板沿對(duì)稱軸(x軸)上的節(jié)點(diǎn)：筏板彎矩Mx，My整體均增大，最大的相差達(dá)3倍。這是由于框架梁的截面尺寸由0.3m×0.6m改為0.30m×0.75m，框架柱截面尺寸由0.55m×0.55m改為0．65m×0．65m,亦即增加上部結(jié)構(gòu)的剛度，會(huì)減小基礎(chǔ)的相對(duì)撓曲和內(nèi)力，但同時(shí)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力增加。也是說(shuō)，上部結(jié)構(gòu)對(duì)減小基礎(chǔ)內(nèi)力的貢獻(xiàn)是以在自身中產(chǎn)生不容忽視的次應(yīng)力為代價(jià)的。

　　由工況1和工況3可知：當(dāng)把地基的基床系數(shù)由10000kN／m3改為20000kN／m3其它條件不變時(shí)，沿x軸邊柱l～4和9～12的軸力增大，最大的相差約4％，彎矩Mx、My減小，最大的相差達(dá)1.5倍；中柱5～8的軸力減小，最大的相差約5％，彎矩My減小，晟大的相差約3倍。筏板沿對(duì)稱軸(X軸)上的節(jié)點(diǎn)：筏板彎矩Mx，My變化不一。兩種不同地基條件下框架柱軸力隨著地基承載力降低，邊柱軸力增大，中柱軸力減小。這是因?yàn)殡S著地基的變軟，筏板兩端呈上翹趨勢(shì)，基礎(chǔ)的上翹受到上部結(jié)構(gòu)的約束，使得上部荷載向兩端集中。算例分析表明：考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同作用，會(huì)因基礎(chǔ)變形以及基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間的相互制約作用而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力重分配，且隨著地基的逐漸變軟，這種內(nèi)力重分配現(xiàn)象逐漸加劇。按考慮結(jié)構(gòu)的共同作用對(duì)上部框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)的受力和變形與實(shí)際相符，有利于結(jié)構(gòu)的安全可靠。

　　由工況1和工況4可知：當(dāng)把基礎(chǔ)的厚度由O．4m改為0．5m，其它條件不變時(shí)，沿x軸邊柱1～4和9～12的軸力減小，最大的相差約296，彎矩Mx、My減小，最大的相差約16％；中柱5～8的軸力增大，最大的相差約17％，彎矩My減小，最大的相差約1．5倍。筏板沿對(duì)稱軸x軸上的節(jié)點(diǎn)：筏板彎矩Mx，除邊柱下節(jié)點(diǎn)77和89外均增大,My變化不大�；�礎(chǔ)的厚度由0．4m改為O．5m亦即增加基礎(chǔ)的剛度，由以上分析可知：在上部結(jié)構(gòu)剛度與地基條件不變的情況下，基礎(chǔ)內(nèi)力總體上隨其剛度增大而增大，相對(duì)撓曲則隨之減小。從減少基礎(chǔ)內(nèi)力出發(fā)，宜減小基礎(chǔ)剛度；就減小上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力而言，宜增加基礎(chǔ)剛度。因此，基礎(chǔ)方案應(yīng)視結(jié)構(gòu)類型作綜合考慮。

　　4結(jié)論及建議：

　　框架結(jié)構(gòu)建筑的上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)同地基是一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)整體，三者相互聯(lián)系相互影響。它們間的聯(lián)系可歸結(jié)為三者之間的剛度變化而引起彼此的內(nèi)力和變形的變化。

　　(1)上部結(jié)構(gòu)剛度的影響

　　在地基、基礎(chǔ)和荷載條件不變的情況下，增加上部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)減小基礎(chǔ)的相對(duì)撓曲和內(nèi)力，但同時(shí)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力增加，亦即：上部結(jié)構(gòu)對(duì)減小基礎(chǔ)內(nèi)力的貢獻(xiàn)是以在自身中產(chǎn)生不容忽視的次應(yīng)力為代價(jià)的。對(duì)于用增加上部結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)減小基礎(chǔ)的相對(duì)撓曲和內(nèi)力是不可取的。

　　(2)基礎(chǔ)剛度的影響

　　在上部結(jié)構(gòu)剛度與地基條件不變的情況下，基礎(chǔ)內(nèi)力隨其剛度增大而增大，相對(duì)撓曲則隨之減��；相反，上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力卻隨基礎(chǔ)剛度的減小而明顯增大。因?yàn)榛�礎(chǔ)差異沉降增加，必然在上部結(jié)構(gòu)中引起更大的次應(yīng)力，可見(jiàn)，從減少基礎(chǔ)內(nèi)力出發(fā)，宜減小基礎(chǔ)剛度；就減小上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力而言，宜增加基礎(chǔ)剛度。因此，基礎(chǔ)方案應(yīng)視結(jié)構(gòu)類型作綜合考慮。

　　(3)地基剛度的影響

　　當(dāng)?shù)鼗�變得軟弱時(shí)，基礎(chǔ)內(nèi)力和撓曲增加；相反，當(dāng)?shù)鼗鶆偠仍龃髣t基礎(chǔ)內(nèi)力和撓曲減小，此時(shí)地基沉降和差異沉降減小，上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力也減小。

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