多塔裙樓與地基基礎(chǔ)相互作用的上部結(jié)構(gòu)分析

馮力強,魏宏亮,朱前坤,王宗年,項長生(．甘肅省建設(shè)投資(控股)集團總公司,甘肅蘭州　70050;．甘肅建投科技研發(fā)有限公司,甘肅蘭州　70050; ．蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州　70050;．甘肅省建筑科學(xué)研究院,甘肅蘭州　70050)

多塔裙樓與地基基礎(chǔ)相互作用的上部結(jié)構(gòu)分析

馮力強1,魏宏亮2,朱前坤3,王宗年4,項長生3
(1．甘肅省建設(shè)投資(控股)集團總公司,甘肅蘭州730050;2．甘肅建投科技研發(fā)有限公司,甘肅蘭州730050; 3．蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730050;4．甘肅省建筑科學(xué)研究院,甘肅蘭州730050)

結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往不考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)之間相互作用,通過ANSYS建立三座高層塔樓及其裙房有限元模型進行受力分析,研究上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)相互作用下的上部結(jié)構(gòu)柱、梁、裙房剪力墻內(nèi)力分布特點.結(jié)果表明:塔樓上部結(jié)構(gòu)會在相互作用影響下出現(xiàn)邊柱及角柱的內(nèi)力增大,其中在角柱部位的內(nèi)力增量最多,共同作用對上部結(jié)構(gòu)柱軸力的影響主要在結(jié)構(gòu)一、二層,且角柱受影響較大.相互作用同樣對底層梁及裙房外墻計算結(jié)果影響較大,在設(shè)計時應(yīng)注意裙房外墻等部位的裂縫控制.

多塔裙樓;相互作用;筏板基礎(chǔ);內(nèi)力分析;有限元

1　工程概況

1．1上部結(jié)構(gòu)概況

蘭州某危舊房改造項目包含三座塔樓,建筑總面積1．6×105m2,塔樓均為地上31層,地下3層,地上4層裙房為商業(yè)樓,塔樓總高度為103 m.其中A、B塔為框架剪力墻結(jié)構(gòu),C塔為全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),裙樓及地下部分為框架結(jié)構(gòu).

1．2地基基礎(chǔ)概況

工程主要持力層為強風(fēng)化砂巖,最大揭露厚度為14．5 m,且持力層較厚,勘探過程中未鉆透,依據(jù)巖土勘察報告可按照相對均勻地基考慮.地基承載力特征值為300 k Pa,以強風(fēng)化砂巖的巖土參數(shù)作為計算依據(jù).地下水水位由于周邊施工降水影響,水位在地面以下6．5~10．5 m,歷史最淺埋深為地面以下2．0~2．5 m.

開發(fā)地下空間和地上高層可以利用緊缺的土地資源,裙樓用作商業(yè)營運,主塔樓用作民用住宅的多塔裙樓并帶有地下大空間車庫的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用越來越廣泛.上部結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)相互作用會在理論設(shè)計與工程施工中帶來不良影響,所以結(jié)合實際工程應(yīng)用有限元方法分析掌握影響規(guī)律可以為分析計算提供參考依據(jù).

王曙光等[1]對主裙樓筏板整體連接進行模型試驗和相互作用分析結(jié)果表明:改變基礎(chǔ)及地基剛度是變剛度調(diào)平設(shè)計的關(guān)鍵.王春明等[2]建立主裙樓與地基基礎(chǔ)相互作用的計算模型并在實際工程中調(diào)整地基基礎(chǔ)形式,研究表明高層建筑主裙樓整體連接是切實可行的.張武等[3]對框架G核心筒樁筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行變剛度模型試驗的結(jié)果表明:增大核心筒位置的樁長對降低總體沉降及沉降差最為有效.朱紅波等[4]對L形大底盤框筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行大型模型試驗得到結(jié)論:裙房擴散主樓荷載在兩跨范圍與主樓連接的裙房筏板部位容易發(fā)生破壞.宮劍飛等[5]對北京三里屯SOHO工程大底盤多塔樓的結(jié)構(gòu)形式進行了原位測試,結(jié)果表明上部結(jié)構(gòu)剛度較大裙樓框架柱的荷載值相差不超過20%,主樓核心筒總荷載與主樓外圍柱的總荷載相差不超過10%.

工程采用混凝土筏板式基礎(chǔ),筏板混凝土強度等級為C40,墊層混凝土強度等級為C25.裙樓部分筏板厚度0．8 m,塔樓部分為1．6 m.裙樓基礎(chǔ)板底埋深為16 m,塔樓基礎(chǔ)板底埋深為16．8 m,塔樓電梯井局部埋深為19．3 m.筏板后澆帶寬為0．8 m.筏板平面布置見圖1.

圖1　筏板平面布置Fig．1　Raft layout chart

2　有限元模型建立

應(yīng)用ANSYS建立了上部結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)相互作用的有限元模型,基礎(chǔ)模型如圖2所示,應(yīng)用實體單元對筏板單元進行模擬[6],基礎(chǔ)與地基連接可以應(yīng)用MPC方法[7].上部結(jié)構(gòu)通過模型轉(zhuǎn)換接口程序SOFT _LINKER[8]導(dǎo)入,整體有限元模型如圖3所示.

3　相互作用對柱的影響

上部結(jié)構(gòu)底層墻柱自由度固定求解,將計算結(jié)果與整體相互作用進行比較,得出相互作用對上部結(jié)構(gòu)的影響.

主要對比B塔樓4號縱軸定位軸線與C、D、E三個橫軸定位軸線相交位置從結(jié)構(gòu)一層至七層的柱軸力,A、B塔樓間的裙房的柱子位置分別為S7與SA、S7與B－C及S6與B－C相交位置.同時比較了B塔樓與1號軸線相交的B－C、C－D、DE軸線之間結(jié)構(gòu)一層至七層梁的軸力.最后分析比較了裙房外墻的第一主應(yīng)力值.柱、梁及墻的相應(yīng)編號分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6;L 1、L2、L3、L4、L5、L6;Q1,相應(yīng)的位置如圖4所示.計算得到考慮相互作用與不考慮相互作用時的柱軸力,分別如表1、表2所列,對比表1與表2并繪制相互作用下柱軸力對比圖,如圖5所示.

從圖5可以看出塔樓處一層柱軸力在相互作用的影響下要明顯大于不考慮相互作用上部結(jié)構(gòu)單獨計算結(jié)果,并且角柱Z1的增加量要比兩個邊柱多,接近角柱的邊柱Z2略大于邊柱Z3.結(jié)構(gòu)二層在Z1處計算結(jié)果相差較大,與邊柱相近.隨著樓層的增高可以看到,三層以上兩種情況計算的柱軸力結(jié)果相差較小.對比兩種情況下裙房柱Z4~Z6的軸力可以看出4、5號柱軸力在相互作用及塔樓影響下的計算結(jié)果比不考慮相互作用時的計算結(jié)果要小.在裙樓的中部6號柱相互作用計算結(jié)果較大.

圖2　筏板基礎(chǔ)有限元模型Fig．2　Finite element model of raft foundation

圖3　結(jié)構(gòu)整體有限元模型Fig．3　Structural overall finite element model

圖4　柱編號、梁及外墻位置Fig．4　Sketch map of column number,girder and external wall location

表1　不考慮相互作用柱軸力Table 1　Column axial force without interaction k N

表2　考慮相互作用柱軸力Table 2　Column axial force with interaction k N

圖5　相互作用柱軸力對比Fig．5　Comparison of column axial force under interaction

3．1相互作用對梁的影響

將兩種情況下的上部結(jié)構(gòu)1~7層的梁的軸力進行比較,梁的位置對應(yīng)圖4,對比計算結(jié)果如圖6所示.一、二層梁的軸力在相互作用下為受壓,到三層后塔樓部分三根梁變?yōu)槭芾?而裙樓部分仍舊受壓.對比結(jié)果,兩種情況計算結(jié)果相差較大,表明相互作用對上部結(jié)構(gòu)梁的影響較大,拉壓計算結(jié)果可能相反,整體規(guī)律性不明顯,需要在設(shè)計時進行相互作用分析,以準確計算梁的受力.

圖6　相互作用梁軸力對比Fig．6　Comparison of girder axial force under interaction

3．2相互作用對裙房外墻的影響分析

圖7　結(jié)果位置及第一主應(yīng)力云圖Fig．7　Result position and first major stress nephogram

選取對比的9個位置點,如圖7(a)所示,圖7(b)為相互作用下裙房外墻Q1第一主應(yīng)力云圖.從整體趨勢可以看出外墻底層兩側(cè)角柱處拉應(yīng)力較大,底層半圓形區(qū)域的拉應(yīng)力較小,結(jié)構(gòu)三層外墻頂及與角柱相連的二層墻拉應(yīng)力均較明顯.

將兩種情況下9個位置點墻外側(cè)的第一主應(yīng)力進行對比,結(jié)果如圖8所示.結(jié)果表明相互作用計算結(jié)果明顯增大.在結(jié)構(gòu)二層外墻頂2、8兩個對稱的位置點第一主應(yīng)力較大,且均超過了混凝土抗拉極限標(biāo)準值.

圖8　相互作用影響下裙房外墻第一主應(yīng)力對比Fig．8　Comparison of first major stress nephogram of external wall of podium under interaction

4　結(jié)語

通過ANSYS建立多塔裙樓有限元模型,計算只考慮上部結(jié)構(gòu)模型與相互作用模型的柱、梁、裙房外墻受力.研究表明:塔樓上部結(jié)構(gòu)會在相互作用影響下將塔樓中部荷載向筏板邊緣周圍轉(zhuǎn)移,即增大了邊柱及角柱的荷載,其中角柱的荷載增加量最多.相互作用對上部結(jié)構(gòu)柱軸力的影響主要在結(jié)構(gòu)一、二層,且角柱所受影響較大.相互作用對底層梁及裙房外墻計算結(jié)果影響較大,需要在設(shè)計時注意以免造成構(gòu)件的開裂.

[1]王曙光,滕延京．大底盤建筑主裙樓基礎(chǔ)整體連接的可行性與適用性研究[J]．土木工程學(xué)報,2010,43(2):95G99．

[2]王明春,張保良,趙錫宏．高層建筑主樓和裙房不設(shè)縫時的分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1999,20(3):65G70．

[3]張武,遲鈴泉,高文生,等．變剛度樁筏基礎(chǔ)變形特性試驗研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,31(7):94G102．

[4]朱紅波,邸道懷．L形高層建筑下大底盤框架厚筏基礎(chǔ)反力和變形試驗研究[J]．建筑科學(xué),2008,24(1):27G30．

[5]宮劍飛．高層建筑與裙房基礎(chǔ)整體連接情況下基礎(chǔ)的變形及反力分析[J]．土木工程學(xué)報,2002,35(3):46G49．

[6]李慧,童雄,狄生奎,等．基于ADINA的板柱連接沖切破壞的非線性分析[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2007,19(1):127G130．

[7]杜永峰,邱志濤．筏板基礎(chǔ)中柱節(jié)點沖切有限元分析[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2007,19(4):125G128．

[8]曹偉良,張良平．SAP2000和ANSYS模型轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]．建筑結(jié)構(gòu),2009,39(S2):481G482．

Interactive Superstructure Analysis between MultiGtower Podium Building and Foundation

Feng Liqiang1,Wei Hongliang2,Zhu Qiankun3,Wang Zongnian4,Xiang Changsheng3
(1．Gansu Construction Investment(Holdings)Group Corporation,Lanzhou 730050,China; 2．Gansu Construction Investment of Science and Technology Development Co．Ltd．,Lanzhou 730050,China; 3．School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 4．Gansu Academy of Building Research,Lanzhou 730050,China)

Structural design usually does not cover the interaction between superstructure and foundation．Based on the force analysis of 3 high towers built by ANSYSand finite element model of their podiums,the characteristics of internal force distribution of superstructure columns,girders and shear walls of podiums under the interaction beG tween superstructure and foundation is studied．The analysis results indicate that the superstructure of tower will increase the internal force of side columns and corner columns under interaction,among which the internal force of corner columns increases most．The axial force influence of interaction on superstructure columns is mainly in the first and second layer of structure,and corner columns areinfluenced most．As theinteraction has a bigger influence on the calculation results of basement girders and external wall of podiums,crack control of external wall of podiG ums and other locations shall be paid attention in design．

MultiGtower podium building;Interaction;Raft foundation;Internal force analysis;Finite element

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．014．

TU433

A

1004G0366(2016)02G0062G06

2015G03G30;

2015G07G07．

甘肅省科技支撐計劃(1104GKCA035)．

馮力強(1967G),男,甘肅武都人,教授級高級工程師,研究方向為工程災(zāi)害監(jiān)測與防治．EGmail:fenglq67＠126．com．

引用格式:Feng Liqiang,Wei Hongliang,Zhu Qiankun,et al．Interactive Superstructure Analysis between MultiG tower Podium Building and Foundation[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):62G67．[馮力強,魏宏亮,朱前坤,等．多塔裙樓與地基基礎(chǔ)相互作用的上部結(jié)構(gòu)分析[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(2):62G67．]