超高层建筑上部结构—桩筏基础——地基共同作用非线性研究--中国期刊网

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超高层建筑上部结构—桩筏基础——地基共同作用非线性研究

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：罗珣

[导读] 摘要：本文阐述了随着我国科学技术的发展，科学技术也有了长足的进步。

        广东远顺建筑设计有限公司广东省惠州市 516000
        摘要：本文阐述了随着我国科学技术的发展，科学技术也有了长足的进步。因此高层建筑作为现代社会高科技的代表，具有楼层层数多，抗震效果好等特点，但也对施工和对建筑设计提出了更高的要求。
        关键词：超高层建筑；上部结构；桩筏基础；地基
        前言：
        超高层建筑的建设的大量建设，是由于城市人口数量激增和市场商业化越来越激烈的现今社会状况导致，我国在常年建设超高层建筑中取得了丰富的施工经验，数据经验分析证明在超高层建筑设计过程中需要将上部结构、桩筏基础、地基共同有机结合起来。
        1 超高层建筑上部结构—桩筏基础-地基共同作用分析
        因为其高层建筑的上部结构通常需要极强的结构刚度，并且能够与桩筏基础和地基共同作用于同一个系统之中。但是在过去计算方法具有局限性，所以在进行高层建筑的基础构架分析过程中，没有考虑到共同作用，这种忽略上部结构的计算方式，来进行基础结构的设计，这与上部结构-桩筏基础-地基形成整体系统所不符。
        近些年来，我国进行了大量的高层建筑项目建设，因此积攒了大量的高层建筑施工经验，并且随着先进计算机技术不断地发展，已经可以对三者相互作用进行整体的分析计算。在施工过程中受到了建筑工程设计人员的青睐。针对三者的关系研究出相应的计算方法和计算程序设计。但是面对庞大复杂的计算量，同时也对计算机设备提出了新的挑战。为了能够尽可能的减少计算机内存的的压力，提出一些相应的解决办法。
        例如子结构分析法、波前法和分场求解法的提出。其中子结构分析法能够有效的解决在进行大型建筑的计算过程时受到计算机内存有限的困扰，可以清晰地将施工阶段的结构逐层增加，以及受到其荷载以及结构刚度的具体变化而导致对数据结果的影响。能够充分使用不同结构单元体系内的特点，具有极大地优势。同时还能够顺利的在微型计算机中使用。
        在共同作用的分析中，因其建筑的上部结构是由梁、板等结构单元组合形成的结构，所以应该用有限单元法、有限条元法、又或者解析方法，进行上部结构和基础的刚度矩阵，而且需要将变形协调条件同地基的刚度矩阵相互结合分析。
        在对地基的分析中，首先要确定地基的模型，从线弹性地基模型、非线性弹性地基模型和弹性地基模型中选择。并以此建立起地基的基本刚度矩阵。但是通常情况下会用结构力学法来帮助建立选择好的地基模型的柔度矩阵。
        2 上部结构—桩筏基础—地基共同作用非线性探讨
        2.1 共同作用分析方法及模型参数的确定
        在进行对高层建筑的上部结构-基础-地基共同作用的分析中可以可用以下几个方法
        2.1.1 解析法
        这种方法要从弹性力学的角度出发，进行对共同作用的分析。例如可以利用Boussineq解答形成的地基柔度矩阵对片筏基础的共同作用进行分析，用此方法能够得到单桩沉降的柔度系数，同时还能够得到桩之间由于相互作用进行了位移而得到的柔度系数，能够有效的拓展内力分析和群桩基础的沉降研究方向并且能够不需要对地基进行离散，所以在形变成过程中所耗技能较少。
        2.1.2 边界元法
        边界元法是指在物体的边界上进行有限的元离散，同时又不需要对物体的内部进行单元划分，这样的方法可以大量减少结构节点数目，提高运算效率。能够有效解决无限体和半无限体的问题。
        2.1.3 有限元方法
        有限元方法具有很强的实用性，能够有效处理非均质、非线性复杂边界的问题。
        2.2 有限元程序简介以及背景实际工程概述
        2.2.1 ANSYS有限元程序
        面对市面上众多的有限元软件中，ANSYS利用其有效的商用价值被广泛的使用，其采用FORTRAN语言进行编写，能够进行各种情况下的有限元程序分析工作，具有极强的分析处理能力，是现今社会处理工程问题时有力的有限元程序。

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        2.2.2 子结构法
        子结构法最早的研究是为了能够有效解决飞机等复杂架构的有限元问题，在之后才逐渐解决上部结构-基础-地基的共同作用问题。利用子结构法能够有效的反映出上部结构刚度变化以及结构不在的凝聚过程，与高层建筑具有高适应性。
        2.3 考虑施工过程的共同作用数值分析
        2.3.1 模型建立
        基于上部结构-基础-地基的共同工作的原理，并建立起基于ANSYS程序下进行三种有限元模型。并对不同模型进行共同作用的比较分析。
        1.刚性地基基础模型
        2.含有弹性地基基础的模型
        3.考虑地基基础的非线性模型
        通过对结构内部构件的变化、筏板沉降的变化、筏板内力的变化以及基底反力的变化分析来看，上部结构-筏板-柱土其三者能够相互影响相互作用，这会是上部结构-基础-地基的分析工作带来问题，影响其最后的误差。
        2.4 不同设计参数对共同作用的影响
        2.4.1 筏板厚度影响分析
        对于弹性地基的筏板基础，可以区分为刚性基础、半刚性基础以及柔性基础。这些不同类型的筏板基础所标的的变形特征也不相同。具体表现为对基础沉降的影响、对筏板内力的影响以及对筏板反力的影响
        2.4.2 对地基土层弹性模量的分析
        地基土层能够同样对基础沉降、基底反力、筏板内力产生了重要影响。
        得出结论，筏板基础能够对减小的基础不均匀的沉降产生较大影响。地基土层的弹性模量额能够严重影响到共同作用中。
        2.5 考虑上下部共同作用的动力特性分析
        结构可以在动荷载作用下响应规律，与结构质量。刚度分布以及能量耗散等诸多方面有关联。同时对于动力特征的分析具有重要价值意义。因为在建筑结构拥有足够的结构强度来抵御例如地震等外力的水平荷载能力是，可以在水平荷载的关系下避免发生加大的侧向位移，但是这并不能充分显示出结构的绝对稳定性。比如我们无从得知建筑结构在进行周期性的动力荷载作用下会不会发生共振，这种情况就需要考虑上下部共同作用的特性分析。
        1.建立动力方程式
        2.振型参与系数的确定
        我们在进行对大型复杂建筑的动力特性分析过程中，很难依靠现阶段存储空间有效的计算机进行分析计算，并且建筑结构的组成部件又多是不规则的结构类型。为了应对这种情况的发生，需要进行模态综合法的使用，又可以称作子结构综合法。当今社会科学技术不断地发展和改良，这种方法得到了越来越多人的重视，成为能够有效解决复杂结构下的结构振动分析，提高分析效率。
        因此对于超高层结构建筑，从对地基基础的刚度有限性和对刚性地基的结构上分析，建筑物会有着明显的动力特性变化。同时地基刚度有限性需要在建设过程中被重视起来。同时针对超高层建筑物的抗震分析中，考虑到结构与地基相互影响导致对整体抗震效果的影响，因此这类的抗震分析方法具有复杂性和深入性。
        建筑的共同作用分析从竖向荷载的作用角度来分析，但是同样水平荷载也会对建筑物的共同作用产生重要影响。
        总结：
        综上所述，对于超高层建筑的过程中，除了竖向荷载的作用监督分析，同样也受到了说明荷载的影响。高层建筑中需要抵抗竖向以及水平荷载力的共同作用。在结构方面需要加强结构组件的硬度来进行水平力的抵抗。同时从多个角度来考察荷载共同作用下对上部结构-桩筏基础-地基的影响规律。对于不可抗力：飓风和地震，可以对建筑结构造成严重影响，因此要不断加强对动力相应的分析工作。将超高层上部结构-基础-地基的动力分析工作继续研究下去，推动我国的建筑事业健康发展，提高建筑质量性能。
        参考文献：
        [1]李锦龙. 高层建筑框架剪力墙结构—桩筏基础—地基共同作用有限元分析[D].兰州交通大学，2012.
        [2]吴辉科. 超高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用非线性分析[D].西安理工大学，2007.
        [3]杜晓霞. 上部结构-桩筏基础-地基共同作用的非线性数值模拟[D].南京理工大学，2005.