框架結(jié)構(gòu)-樁筏基礎(chǔ)-地基共同作用的剪力和位移分析

張富鈞 田丹丹

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730070）

由于建筑物高聳，不僅豎向荷載較大而相對集中，且風荷載和地震荷載引起的傾覆力矩也成倍增長[1][2]，因此傳統(tǒng)上的理論和方法就不能照搬于高層建筑[3]。同時，地震是重要的自然災害之一，故對工程結(jié)構(gòu)進行抗震設計以降低地震帶來的危害是非常必要的。本文利用大型通用有限元軟件ANSY[4][5]建立了不考慮共同作用的傳統(tǒng)模型和考慮共同作用時的三維實體模型來研究上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用時的地震反應。

1 有限元模型的建立

本文的分析模型上部為一規(guī)則的空間框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在X 方向為5 跨，Z 方向為3 跨，每跨跨度均為6m，結(jié)構(gòu)高度方向為Y 向，框架共9 層，每層層高3.3 m，各層框架柱截面尺寸為600mm×600mm，梁截面尺寸為300mm×700 mm，梁的混凝土強度等級C30，柱的混凝土為C35，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，混凝土選用C30，板厚為100 mm，樓面活荷載為2kN/m2，框架梁上均布6kN/m 的線荷載，用來模擬填充墻的自重荷載，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度為600mm，樁徑為600mm，樁長為15m，土體為黃土。共同作用的有限元模型如圖1。

圖1 框架結(jié)構(gòu)-樁筏基礎(chǔ)-地基共同作用的有限元模型

2 地震波的輸入

本文對前面建立的模型，通過改變結(jié)構(gòu)的樁徑、筏板厚度等參數(shù)，進行分析，比較結(jié)構(gòu)在地震作用下的剪力和位移的變化。進行時程分析時，《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于二條實際地震記錄和一條人工模擬的加速度時程曲線[6]，由于缺少附近場地的實際地震記錄，本文采用埃爾森特羅（El-Centro）波進行分析。埃爾森特羅波的最大加速度值為3.417m/s2，時間取8 秒。本文分析中，按照我國抗震規(guī)范規(guī)定，將埃爾森特羅波的最大加速度幅值調(diào)至常遇地震時的加速度，峰值為0.7m/s2。

3 筏板厚度變化對共同作用模型地震反應的影響

為分析水平地震作用下基礎(chǔ)剛度對上部結(jié)構(gòu)的影響，本文通過改變筏板厚度來改變基礎(chǔ)的剛度，取筏板厚度分別為0.6m、0.9m 和1.2m 的模型進行計算，計算結(jié)果見表1-表3，從表中數(shù)值可以看出，隨著筏板厚度的增大，最大位移和剪力都有所減小。增大筏板的厚度相當于增大基礎(chǔ)的剛度，這樣就加大了對上部結(jié)構(gòu)的約束，因而位移和剪力減小。

4 地基剛度變化對共同作用模型地震反應分析的影響

在實際工程中，地基土在水平向?qū)队幸欢ǖ募s束作用，就像在樁與樁之間有很大的彈簧存在，對樁產(chǎn)生一定的擠壓。在理論分析或設計時，為了簡化，省略了這些作用，因此，在這里對地基土對上部結(jié)構(gòu)的影響進行研究。

表1 筏板厚度0.6m 計算結(jié)果

表2 筏板厚度0.9m 計算結(jié)果

表3 筏板厚度1.2m 計算結(jié)果

為分析地震作用下地基剛度對上部結(jié)構(gòu)的影響，一般通過改變地基土的剛度，最簡單、最直接的辦法就是改變地基的彈性模量[7][8]。本文取地基的彈性模量分別為E =700M Pa 、E =800M Pa 和E =900 M Pa的模型進行計算，計算結(jié)果見下表4-表6所示。

從表4-表6可以看出，在水平地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間最大位移隨著地基剛度的增大而減小，因為地基土剛度變大，土體的約束力增大，建筑物、基礎(chǔ)的相對運動就減弱，因此位移也減小；同時，柱的剪力也有所減小。

5 結(jié)論

表4 E=700MPa 時的計算結(jié)果

表5 E=800MPa 時的計算結(jié)果

表6 E=900MPa 時的計算結(jié)果

對兩種模型進行了水平地震作用下的時程分析，得出的主要結(jié)論如下：

1）考慮共同作用后，在地震作用下框架結(jié)構(gòu)層間最大位移和最大剪力隨基礎(chǔ)剛度的增大而減小。

2）考慮共同作用模型，上部結(jié)構(gòu)的層剪力與傳統(tǒng)模型相比有所減小，在層數(shù)較低時減少幅度較大，層數(shù)較高時減小幅度相對較小，設計時應予以考慮，以免造成浪費或者不安全。