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(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

由于建筑物高聳，不僅豎向荷載較大，相對集中，且風(fēng)荷載和地震荷載引起的傾覆力矩也成倍增長[1-2]，傳統(tǒng)的理論和方法不能照搬于高層建筑[3]。同時(shí)，地震是主要自然災(zāi)害之一，對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)以使降低地震帶來的危害非常必要。本文利用通用有限元軟件ANSY[4-5]建立不考慮共同作用的傳統(tǒng)模型和考慮共同作用時(shí)的三維實(shí)體模型來研究上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用時(shí)的地震反應(yīng)。

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)，在X方向?yàn)?跨，Z方向?yàn)?跨，每跨跨度均為6m，結(jié)構(gòu)高度方向?yàn)閅向，框架共9層，每層層高3.3m，各層框架柱截面尺寸600mm×600mm，梁截面尺寸300mm×700mm，梁的混凝土強(qiáng)度等級為C30，柱的混凝土強(qiáng)度等級為C35，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，混凝土選用C30，板厚100mm，樓面活荷載為2kN/m2，框架梁上均布6kN/m的線荷載，以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。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

對上述模型通過改變結(jié)構(gòu)的樁徑、筏板厚度等參數(shù)進(jìn)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(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于兩條實(shí)際地震記錄和一條人工模擬的加速度時(shí)程曲線[6]，由于缺少附近場地的實(shí)際地震記錄，本文采用埃爾森特羅（El-Centro）波進(jìn)行分析。埃爾森特羅波最大加速度值3.417m/s2，時(shí)間取8秒。分析時(shí)，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(shí)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(yīng)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，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0.6米、0.9米和1.2米進(jìn)行計(jì)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，最大位移和剪力有所減小，這是因?yàn)樵龃蠓ぐ宓暮穸认喈?dāng)于增大基礎(chǔ)的剛度，加大了對上部結(jié)構(gòu)的約束，因而位移和剪力減小。

表1 筏板厚度0.6米計(jì)算結(jié)果

表2 筏板厚度0.9米計(jì)算結(jié)果

表3 筏板厚度1.2米計(jì)算結(jié)果

4 地基剛度變化對共同作用模型地震反應(yīng)分析的影響

在實(shí)際工程中，地基土在水平向?qū)队幸欢ǖ募s束作用，類似樁之間有彈簧存在，對樁產(chǎn)生一定的擠壓。在理論分析或設(shè)計(jì)時(shí)，為了簡化而省略了這些作用，因此，這里對地基土對上部結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究。

為分析地震作用下地基剛度對上部結(jié)構(gòu)的影響，一般是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=700MPa、E=800MPa和E=900MPa進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4-表6。

表4 E=700MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果

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?yàn)榈鼗羷偠茸兇螅馏w的約束力增大，建筑物、基礎(chǔ)的相對運(yùn)動減弱，位移也減小，同時(shí)柱的剪力也有所減小。

表5 E=800MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果

表6 E=900MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

對兩種模型進(jìn)行了水平地震作用下的時(shí)程分析，得出結(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(shí)減少幅度較大，層數(shù)較高時(shí)減小幅度較小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮，以免造成浪費(fèi)或者不安全。