基于土体变形的高层结构对相邻多层结构的影响分析

摘要

随着中国经济飞速发展，既有多层建筑周围，越来越多的高层建筑不断涌现，且随着城市用地的日益紧张，高层建筑与相邻建筑间的间距也越来越小。这就给人们提出了一个新的问题，即建成之后的高层结构通过土体对相邻多层结构究竟产生了多大的静力影响，且当地震发生时，高层结构对相邻多层结构的抗震性能和动力特性又会产生哪些影响。这是一个涉及土-结构相互作用的复杂问题，也是一个工程技术人员及广大人民群众迫切关心的问题。
　　现有研究中，在分析高层结构对相邻多层结构的静力影响时，往往侧重于高层结构基坑开挖施工过程中相邻多层结构地基沉降分析，忽视了使用过程中的沉降分析。另外，实际工程中，为消除高层结构施工给相邻结构的影响，常在基坑四周兴建刚性支护结构，当高层结构施工完毕后，支护结构的撤除往往导致地基土体的再次扰动，从而影响着相邻结构的安全。
　　本文在总结了国内外关于土-结构相互作用问题的研究方法和成果的基础上，通过ANSYS有限元软件建模分析，重点研究了使用过程中高框架结构对相邻多层框架的静力及动力方面的影响，主要完成了以下工作：
　　(1)通过对大量相关文献的概括总结，评述了国内外开展土-结构相互作用研究的现状与发展水平，对土-结构相互作用的研究方法进行了归纳总结，分析了已有研究成果的局限性及存在的问题，提出了本文针对相邻结构影响的土-结构相互作用体系所采用的分析方法以及基本框架思路。
　　(2)研究了上部结构-基础-地基相互作用的数值计算方法和ANSYS有限元软件程序中梁、壳等单元的力学特性，并就基础与地基的接触方法做深入分析，得出参数选取的合理方法，为进一步的计算分析做准备。
　　(3)利用ANSYS有限元软件提供的参数化设计语言，编写了结构静力反应分析及静力分析结果提取的命令流，对考虑高框架影响和不考虑高框架结构影响的单幢多层框架进行了数值模拟计算，对比分析了特定基础形式和考虑自重效应下多层上部结构、基础及地基的受力和变形特性。对比分析内容包括多层框架结构基础下土体沉降，特定位置柱的沉降差以及梁柱内力值(弯矩、剪力、轴力)的变化规律。
　　(4)利用ANSYS有限元软件提供的参数化设计语言，编写了结构时程分析及时程分析结果提取的命令流，在选定的地震动下，对考虑高层结构影响和不考虑高层结构影响的单幢多层结构进行了时程分析，对比分析了高层结构对多层结构的动力影响。对比分析的内容包括上部结构地震反应(加速度、位移反应等)幅值，中间层及顶层位移时程曲线等。
　　(5)考虑高层结构的影响下，研究了不同间距以及不同土质特性对多层结构的静力及动力反应的影响，并对规律性结果进行了归纳总结。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 土-结构相互作用研究历史

1.3 土-结构相互作用研究方法

1.3.1 土-结构相互作用试验研究

1.3.2 土-结构相互作用理论分析研究

1.4 土-结构相互作用研究存在的问题

1.5 本文研究的主要内容

第2章 相互作用数值计算方法确定

2.1 相互作用的影响因素分析

2.1.1 地基模型对相互作用的影响

2.1.2 基础的土性变化对相互作用的影响

2.1.3 结构刚度对相互作用的影响

2.1.4 相邻建筑物对相互作用的影响

2.2 相互作用的分析模型

2.2.1 多质点系模型

2.2.2 梁模型在弹性介质中的考虑

2.2.3 有限元模型

2.3 有限元软件简介

2.3.1 概述

2.3.2 ANSYS有限元软件介绍

2.4 本论文中所用单元简介

2.4.1 单元选择原则

2.4.2 一般单元介绍

2.4.3 接触单元介绍

2.4.4 梁单元与实体单元的刚接处理

2.4.5 土体材料本构关系及破坏准则

2.5 边界条件确定

2.6 本章总结

第3章 高层结构对相邻多层结构静力影响分析

3.1 模型建立说明

3.2 分析模型的选定

3.2.1 工程概况简介

3.2.2 土体参数确定

3.3 土体模型及计算模型确定

3.3.1 土体模型确定

3.3.2 计算模型确定

3.4 ANSYS建模

3.4.1 单元选择

3.4.2 荷载处理

3.4.3 边界处理

3.5 模型验证性分析

3.5.1 有限元结果验证性分析

3.5.2 模型接触验证分析

3.6 不同间距下静力影响分析

3.6.1 土体类别及工况选定

3.6.2 塑性粉质粘土时有限元结果分析

3.7 不同土质特性下静力影响分析

3.7.1 土体类别及分析工况确定

3.7.2 有限元结果分析

3.8 不同高层结构高度下静力影响分析

3.8.1 土类别及高层结构高度的确定

3.8.2 有限元模型建立

3.8.3 有限元结果对比分析

3.8.4 本节结论分析

3.9 本章小结

第4章 高层结构对相邻多层结构动力影响分析

4.1 土-结构动力相互作用的分析方法

4.1.1 集总参数法

4.1.2 子结构法

4.1.3 整体分析方法

4.2 动力有限元的基本理论

4.2.1 有限单元法的基本原理

4.2.2 动力平衡方程及分析方法

4.3 地震波的选取

4.4 有限元网格划分确定

4.5 计算模型及土体条件确定

4.6 不同间距下动力影响分析

4.6.1 土类别及工况确定

4.6.2 计算结果分析

4.7 不同土质条件下动力影响分析

4.7.1 土体类别及分析工况确定

4.7.2 计算结果对比分析

4.8 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢