黄土地区高层建筑上部结构-桩筏基础共同作用研究

摘要

房屋建筑结构是由上部结构、基础和地基组成的一个整体，它们是协同受力变形的。为了计算的简便，把它们单独拿出来计算，但是这种计算方法，没有考虑到上部结构、基础和地基之间的协同变形，计算结果往往与实际情况有较大的误差，尤其在高层建筑中，这种共同作用往往越明显。随着计算机的普及，数值模拟软件的出现，研究它们三者之间的共同作用得以实现，并且现在越来越多的高层建筑建造需求，共同作用研究显得越来越重要。 随着建筑高度的不断增加，高层建筑越来越多的使用桩筏基础，桩筏基础同时具有筏板基础与桩基础的优点，承载力相对筏板基础大幅提升，但是这种基础形式较为复杂，共同作用研究尚不够深入。另外，针对黄土地区，高层建筑上部结构—基础—地基的共同作用研究更有待进一步深入。 本文以西安某高层剪力墙结构为实例进行研究，主要研究内容和成果如下： （1）运用大型有限元软件 ABAQUS建立共同作用和非共同作用两种模型，对两种模型在静力学和动力学两方面进行有限元分析并进行对比。 （2）在静力分析方面，首先考虑的是竖向荷载。在竖向荷载作用下，按照模拟施工的加载方式对共同作用模型进行逐步加载。研究发现，考虑共同作用后，上部结构的应力要比不考虑共同作用的大，尤其是边缘构件更为明显；筏板的沉降和沉降差和筏板中的应力均比不考虑共同作用的小；非共同作用模型中桩桩顶反力最大，共同作用模型最大的桩顶反力则在角桩。总体上，共同作用模型桩顶反力小于非共同作用模型。由以上可以得知，不考虑共同作用的设计于基础而言是偏保守的，对上部结构而言是不安全的。 （3）在动力分析方面，研究考虑共同作用时上部结构的动力特性，得到结构的各阶自振周期和相应的振型，与非共同作用的模型相比结构体系变柔，自振周期变长。 （4）利用动力分析所得到的结构自振频率和振型，采用抗震设计规范推荐的振型分解反应谱法计算出水平地震力，再将其以静力的形式施加到结构上。研究发现，考虑共同作用后，由于地基基础的存在，上部结构的侧移比非共同作用模型的大；共同作用模型里上部结构底部平均应力要比非共同作用模型的大，筏板边缘处的最大应力却比非共同作用模型小。 （5）改变筏板厚度，研究筏板厚度变化对共同作用的影响规律，在竖向荷载作用下，随着筏板厚度增加，能够大大减小筏板的差异沉降；在水平荷载作用下，能显著减小上部结构的侧移。但筏板厚度增加，又导致筏板中的弯矩变大，不利于筏板的配筋。所以，设计中应当权衡利弊选择合理的筏板厚度。

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