钢框架与地基基础共同作用有限元分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会钢框架与地基基础共同作用有限元分析朱为奉刘亦鹏(同济大学土木工程学院，上海200092)摘要：本文以ANsYs有限元软件为工具，考虑在软土地基E钢框架结构与桩筏基础之间的共同作用，对钢框架结构，基础及地基进行了结构模态分析、动力时程分析。通过分析比较在地震作用下，考虑共同作用和非共同作用钢框架的结构动力特性、结构的侧移、楼层位移、层间剪力，得出考虑共同作用时对体系抗震性能的影响，对工程设计有一定的参考意义。关键词：钢框架结构，地基基础，共同作用，ANSYs有限元一、

2、引言传统的设计方法是将上部结构与地基基础隔离开来，分析上部结构时，假定地基是刚性的、不变形的，同样，基础设计时．也将上部结构作为荷载考虑，忽略了上部结构的刚度对基础变形及内力的影响。这样导致上部结构与下部结构的研究足两条相互平行的主线。由于忽略了结构的共同作用．与实际情况不符，造成的结果往往不是偏于不安全就是造成浪费。在相互作用的影响中，上部结构的很大一部分振动能量将由土的弹性与枯滞作用，通过辐射波的形式反馈到地基介质中去，从而影响基础周围的地面运动，而刚性地基中未考虑这种反馈作用。与支承于理想的

3、刚性地基基础的情况相比较，土与结构的共同作用改变了地基运动的特性，上部结构的振动反馈作用．改变了地基运动的频谱组，使接近结构自振频率的分量得到加强。同时，地基的加速度幅值也较邻近自由场地减小。地基的柔性改变了上部结构的动力特性，延长了整个结构的自振周期，增大结构系统的阻尼。所以，考虑与不考虑共同作用．对建筑结构在地震作用下的分析结果的准确性将会有较大的影响。随着研究的日益深入及工程测量手段的不断发展，考虑土与结构共同作用影响分析方法已经得到普遍的共识。地基基础与上部结构动力共同作用十分复杂。涉及到

4、土的动力特性、基础形状、上部结构体系及动力反应特性等等。由于缺乏足够的试验数据以及实际工程的检验，凼此这方面的研究也最为持久。从本质上说，在高层建筑钢结构设计中，如果能引入合理的地基模型来考虑结构在地震作用下的特性，将能更好地贴近实际情况，进而控制或者利用这一特性，因此这方面的研究具有比较深远的意义。本文将桩筏基础与地基土模型引入上部结构，建立上部结构与地基基础耦联的有限元模型。分别对考虑与不考虑共同作用的情况下，12层钢框架结构地震作用下的动力性能进舌亍了计算分析，包括结构的振型、自振周期、楼层

5、位移、层间剪力以及基底倾覆弯矩等，分析了考虑共同作用时对体系抗震性能的影响。二、有限元模型高层钢框架结构建筑，柱网布置采用纵向6跨柱距6m，横向中间跨3m边缘2跨6m。该建筑地上12层，层高4米，柱截面为焊接工字型截面900×600×14×22，梁截面为焊接工字型截面粱450×300×10×12，混凝土楼板厚度取为120mⅢ。动力分析时，设为刚性楼板．即耦合楼板各节点面内的三个自由度。基础形式采用桩筏基础，筏板厚为1米。桩基础采用一柱一桩式布置，桩截面预制实心混凝土圆桩，直径为500毫米，桩长为3

6、6米，桩尖到达土层5。钢弹性模量取为2×1矿肘P口，泊松比为O．3，密度为7．8×103如／m’。混凝土等级统一取为c30，其弹性模量取为3×104^fPd，泊松比为0．3，密度为2．5x103妇，m3。．对于上部框架结构，除考虑结构自重外，假定楼面恒荷载取3．5盯V，m2，活荷载取为2．O盯V，m2，抗震计算时按照规范组合值系数换算为加重力荷载代表值。用ANsYs建模时换算成集中质量单元加在粱柱节1844工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会点上，经计算得最终输入节点质量为lO．&

7、。土层性质参数参照文献[1]中土层资料，取灰色淤泥质粉质粘土、灰色粘土、灰色粉质粘土、灰绿色粘土、革黄一灰色粉砂五层土，其物理力学性质如下表l。透射边界采用粘弹性阻尼人工边界，在土体育限元模型边界节点加弹簧和阻尼器单元，其刚度值和阻尼值计算按照文献[2]中公式计算。表1土层物理力学性质表用ANsYs软件对柱脚刚性假定及考虑共i一作用两种情况分别建立模型，对其进行模态分析及时程分析，有限元模型如下图1、图2。结构建模时，Y向为竖直方向tX向为建筑物平面长边方向，z向为建筑物平面短边方向。土体范围长边

8、x方向取为72m，短边z方向取为33m，深度Y方向为40m，网格边长x、z方向均为3m划分，Y方向为4m划分，每层土划分两层网格。图1上部结构计算模型三、结构模态分析结果比较图2考虑共同作用计算模型模态是描述结构动力性能的重要指标，ANsYs中提供了LANczOs级数特征值展开，子空间迭代法等多种求解结构自振特征周期及振型的方法。表2中给出了两种模型的前10阶振型的周期计算结果，模型l为考虑共同作用模型，模型2为非共同作用模型：’表2两种模型自振间期对比振型l2345678910模