考虑结构—基础—地基共同作用和逐层加载的结构内力分析

摘要

长期以来，由于计算手段的限制，在建筑结构设计时常把上部结构、基础与地基三者作为彼此离散的独立结构单元进行力学分析，即常规结构设计方法。该方法完全忽略了上部结构、基础与地基沿接触面(点)上一定程度的相互制约关系和变形连续性；同时，计算结构内力时，通常也是根据建筑物建造完成后的结构模型进行分析，然后进行结构的承载力计算和正常使用极限状态验算，这又忽略了有些荷载是在结构逐渐形成的过程中逐步施加于结构上的这一事实。为此，本文提出了考虑框架结构—独立基础—地基共同作用并逐层施加竖向荷载的思想，进而建立了框架结构—独立基础—地基共同作用的力学模型，最后通过ANSYS软件予以实现。 为了进一步说明和检验本文建立的考虑框架结构—独立基础—地基共同作用的力学模型的合理性，又建立了与框架结构—独立基础—地基共同作用模型相同条件的常规计算空间模型；同时，为了进一步说明逐层施加竖向荷载的优越性，本文对上述两种模型均分别进行了逐层加载和一次加载的计算分析，进而研究了框架结构—独立基础—地基共同作用模型与常规计算空间模型的上部结构变形及各构件的内力差异，以及上述两种模型分别采用逐层加载和一次加载时上部结构变形及各构件的内力的差异。 通过计算分析，得出以下结论：在结构型式、竖向荷载均对称的情况下，共同作用模型与常规计算空间模型均采用一次加载法时，按两个模型计算的上部结构节点竖向位移Uy差别较大，共同作用模型的柱轴力有向边柱、角柱转移的趋势，支座弯矩有向边支座转移的趋势；共同作用模型与常规计算空间模型均采用逐层加载法时，较一次加载法算得的|Min(Uy)|大，按照共同作用模型算得的底层以上各层角柱、边柱轴力值均有不同程度的减小，而中柱轴力值有不同程度的增大，而且愈往顶层，增幅愈大，梁的边支座弯矩值有所增大，中支座弯矩值则有所减小，并且部分支座弯矩值出现反号现象；而按常规计算空间模型算得的角柱、边柱轴力值均有不同程度的减小，中柱轴力值有不同程度的增大，而且愈往顶层，增幅愈大，梁的边支座弯矩值增大，中支座弯矩值减小。分别应用逐层加载法和一次加载法算得的框架结构—独立基础—地基共同作用模型的基础的最终沉降量差别不大，地基沉降值并不随施工层数的增加而成比例的增长，而是当楼层增加到一定层数时就表现出一定的非线性关系。上述计算结果充分表明：在建筑结构设计时，按照上部结构—基础—地基共同作用的整体分析方法进行设计可以更好地反映建筑结构的实际变形特征以及受力情况。 本文以考虑框架结构—独立基础—地基共同作用并逐层施加竖向荷载的思想为基础，应用ANSYS程序对框架结构—独立基础—地基共同作用的力学模型进行了计算、分析，解决了框架结构—独立基础—地基体系进行空间分析的技术问题，并获得了上部结构变形、内力的分布规律。从而可以更合理地分析框架结构—独立基础—地基体系，为进行结构设计提供理论指导，为其它结构型式的理论分析、结构设计提供参考，也为结构设计由平面分析阶段过渡到空间分析阶段提供了一种更先进、可靠、便捷、高效的技术手段。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1问题的提出

1.1.1常规设计方法对上部结构、基础、地基三者之间荷载传递的处理及其不合理性分析

1.1.2常规设计方法对荷载作用下上部结构模型的处理及其不合理性分析

1.1.3上部结构与基础、地基共同作用问题的提出

1.1.4施工过程问题的提出

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1结构物—地基相互作用问题

1.2.2施工模拟问题

1.3已有研究成果存在的问题

1.4本文的研究目的与主要内容

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

第2章基础理论

2.1钢筋混凝土本构模型

2.1.1混凝土本构关系

2.1.2混凝土屈服准则

2.1.3混凝土的开裂

2.1.4钢筋本构关系

2.1.5 D-P准则

2.2施工过程分析原理(逐层加载法)

2.2.1从加载过程分析

2.2.2从变形过程分析

2.3结构离散单元的选取

2.3.1 8结点等参数单元基本知识

2.4本章小结

第3章ANSYS程序简介

3.1 ANSYS程序简介

3.1.1强大的前处理能力

3.1.2强大的加载求解能力

3.1.3强大的后处理能力

3.1.4良好的开放性

3.2 ANSYS程序主要功能

3.2.1结构分析

3.2.2热分析

3.2.3流体动力学分析

3.2.4电磁场分析

3.2.5声学分析

3.2.6压电分析

3.2.7多耦合场分析

3.2.8优化设计

3.2.9用户编程扩展功能

3.2.10其它功能

3.3单元的生与死

3.4对钢筋混凝土有限元模型的处理

3.4.1分离式模型

3.4.2整体式模型

3.4.3组合式模型

3.5应用ANSYS程序建立上部结构—基础—地基共同作用模型的总体思路

3.6本章小结

第4章上部结构—基础—地基共同作用模型的建立

4.1应用ANSYS程序进行上部结构—基础—地基共同作用分析的几个技术问题

4.1.1上部结构—基础—地基共同作用的模型选取

4.1.2框架结构—独立基础—地基共同作用模型边界条件的处理

4.1.3上部结构与基础单元类型的选取

4.1.4非线性分析

4.1.5地基土单元类型的选取

4.1.6应用单元生死功能模拟施工过程

4.1.7接触面的处理

4.1.8接触算法

4.1.9收敛准则

4.1.10方程求解器

4.2本文的基本假设

4.3上部结构—基础—地基共同作用模型的建立

4.3.1建模实例

4.4本章小结

第5章考虑上部结构—基础—地基共同作用和逐层加载的结构内力计算

5.1建立实体单元模型带来的问题及解决办法

5.1.1梁跨中截面弯矩命令流校验

5.1.2柱底截面轴力命令流校验

5.2本文的基本约定

5.3弯矩、轴力符号规定

5.4算例1计算

5.4.1计算结果

5.5算例2计算

5.5.1计算结果

5.6本章小结

第6章计算结果对比分析

6.1上部结构变形分析

6.1.1一次共同与一次常规各楼层变形对比分析

6.1.2施工常规与一次常规各楼层变形对比分析

6.1.3施工共同与一次共同各楼层变形对比分析

6.2各楼层柱的内力对比分析

6.2.1一次共同与一次常规柱轴力值对比分析

6.2.2施工常规与一次常规柱轴力值对比分析

6.2.3施工共同与一次共同柱轴力值对比分析

6.3各楼层框架梁的内力对比分析

6.3.1一次共同与一次常规梁内力对比分析

6.3.2施工常规与一次常规梁内力对比分析

6.3.3施工共同与一次共同梁内力对比分析

6.4基础沉降分析

6.4.1施工共同与一次共同基础沉降对比分析

6.4.2随施工进程沉降变化

6.5本章小结

结论及有待于进一步研究的问题

参考文献

作者在研究生期间取得的科研成果

致谢