高层建筑考虑土—桩—结构相互作用的静动力研究

摘要

高层建筑结构体系复杂、体量庞大、重量巨大，如建造于软土或深厚土层地基之上，再沿用传统的刚性基础假定，不考虑上下部的相互作用影响则不甚合理，会和实际情况有较大的出入。上部结构、基础同地基是一个统一的有机整体，三者相互联系、相互影响。静力相互作用需合理地考虑地基的柔度影响，而动力相互作用除此之外，还需考虑地基的无限性、质量、阻尼等因素的影响。近些年来，超高层建筑迅速发展，高度不断增加，类型愈加丰富，结构体系更加多样。相互作用问题愈显突出。上下部相互作用已是许多重大工程中一个不可回避的关键科学问题。 对高层建筑、基础与地基相互工作现场测试是主要的研究手段之一。目前国内对相互作用进行的现场测试还不多。而在黄土地区相互作用的现场测试是空白，作者及其合作者对西安地区的一座超高层建筑—陕西省邮政电信网管中心大楼进行静动力相互作用的现场测试填补了这个空白。 有限元法是目前上下部相互作用研究中最有效的数值计算方法，用其分析时，需要离散的区域常常很大，如果将桩和土体分别划分单元，所需要的单元数量巨大，常常会因受到计算机软件或硬件的限制，使分析难以进行。因此必须对一些基本问题进行深入研究，认识受力特性与机理，正确地抓住问题的本质，简化分析方法，使该方法能充分把握和体现问题的主要特性，进而建立基于有限元分析的宏观模型。提高有限元用于上下部相互作用分析时的模型化能力与可操作性。开展这些工作是本文主要内容之一。 本文以实际工程项目—陕西省邮政电信网管中心大楼为背景，进行静动力相互作用的现场测试；在对单、群桩受力与变形进行深入研究的基础上，将群桩基础视为复合材料，建立了有效的宏观分析模型，并基于ANSYS进行了计入相互作用情况下结构的静力和动力分析研究。本文主要研究内容及结论如下： (1)建立地基基础模型，对单、群桩进行有限元弹塑性模拟，并结合相关工程的试桩结果，深入地分析了单、群桩的受力机理和变形规律。为简化计算和等效处理奠定了基础； (2)将群桩基础中桩—土体系作等效连续化处理，视为一种复合材料，本文首次建立了桩土复合体材料的本构关系和等效复合体模型。结果表明等效复合体模型很好地反映出群桩基础的传力机理，这样大大降低了有限元分析的难度，为利用大型通用有限元分析软件分析超高层建筑的上下部相互作用开辟了有效的途径，不仅可用于静力分析，而且可用于动力分析； (3)分析了停止降水和筏板混凝土硬化收缩两种非荷载因素给桩筏体系的受力影响，合理地解释了原位测试发现的一些“异常”现象。本文首次提出了用等效温度变化的方法模拟停止降水的影响，按这种方法可方便地利用通用的结构分析程序去模拟土体中孔隙水压力变化带来的影响，并基于ANSYS结合陕西省电信网管中心工程予以应用。 (4)通过对考虑上部结构—基础—地基相互作用模型的静力分析，并与建立在刚性地基上模型的结果比较，得出了上部结构内力及地基沉降的规律。通过改变筏板厚度、地基弹性模量、含桩率、桩长等，探讨了建于深厚土层地基上超高层建筑物相互作用的基本特征与一般规律，深化了对相互作用的认识。对相似工程的设计有重要的参考意义； (5)对考虑相互作用后的上部结构进行了动力特性分析，得出上部结构一基础—地基相互作用(与刚性地基上的结构相比)使得结构动力特性发生改变—自振周期延长，振型发生改变； (6)本文利用脉动法首次对陕西省电信网管中心大楼的动力特性进行了测试，识别得到了两个主轴水平方向各前3阶自振周期和相应的振型。与设计单位的计算结果相近，为本工程日后的鉴定和同类工程的设计积累了资料，也具有重要的参考价值。 (7)本文结合动力相互作用研究的现状，对建于深厚土层上的超高层建筑的地震反应分析中的地震动输入，地震反应分析等问题进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明及关于论文使用授权的说明

1绪论

1.1高层建筑设计方法发展的三个阶段

1.2上部结构、基础与地基相互作用研究概述

1.2.1上部结构与地基基础相互作用的概念

1.2.2建筑设计中应用相互作用理论的意义和途径

1.2.3相互作用理论的发展历史及研究现状

1.2.4上部结构-基础-地基相互作用分析的主要研究成果

1.2.5相互作用研究中存在的问题

1.3本文的研究目的及内容

2工程概况及其原位测试情况简介

2.1工程概况

2.2工程地质概况

2.3原位测试情况介绍

2.3.1原位测试的内容

2.3.2 测试元件的工作原理及埋设布置

2.3.3原位测试的主要结果

3单、群桩的分析方法及其工作性状研究

3.1桩-土相互作用的分析方法简介

3.1.1竖向荷载作用下单桩与土体的相互作用

3.1.2水平向荷载作用下单桩与土体的相互作用

3.1.3竖向荷载作用下群桩与土体的相互作用

3.1.4水平向荷载作用下群桩与土体的相互作用

3.2单桩的有限元计算模型研究

3.2.1有限元用于桩-土相互作用分析的技术优势

3.2.2桩采用块单元模型与梁单元模型的计算结果对比

3.2.3有限元计算与试桩结果对比

3.3单、群桩工作性状分析

3.3.1黄土地区地基中超长单桩的工作性态

3.3.2黄土地区地基满堂群桩的工作性态

3.4本文计算中关于材料均处于弹性范围假定的说明

4非荷载因素对群桩基础的受力影响分析

4.1问题的提出

4.2陕西省电信网管中心实测资料

4.3孔隙水压力作用的等效处理

4.3.1以总应力表示的应力分析

4.3.2以有效应力表示的应力分析

4.3.3增量形式的应力分析

4.3.3几点说明

4.4停止降水对群桩-筏板基础的受力影响分析

4.4.1有限元离散模型

4.4.2停止降水引起土体内孔隙水压力变化差值的确定

4.4.3有限元仿真结果及分析

4.5筏板混凝土收缩对群桩--筏板基础的受力影响分析

4.5.1计算模型及基本计算数据

4.5.2数值模拟结果与分析

4.6对试验现象的分析解释和对埋设桩头钢筋计的建议

4.7本章小结

5满堂群桩基础的等效复合体模型研究

5.1正交各向异性材料的本构关系

5.2满堂群桩基础的等效复合体模型的弹性常数

5.3采用等效复合体模型的有限元计算结果分析

5.4满堂群桩基础的“含桩率”对沉降的影响分析

5.5小结

6竖向静力作用下上下部结构相互作用分析

6.1计算模型

6.2竖向静力荷载作用下计算结果

6.2.1上部结构构件的内力结果

6.2.2不同深度处桩群截面上的等效压应力结果

6.2.3沉降结果分析

6.3筏板厚度的影响分析

6.4地基土层弹性模量的影响分析

6.5桩端下卧土层弹性模量的影响

6.6含桩率的影响

6.7桩长的影响

6.8小结

7考虑相互作用对结构动力特性的影响分析

7.1结构动力特性分析概述

7.2 ANSYS模态分析简介

7.3模态分析结果对比

8陕西省电信网管中心大楼动力特性测试

8.1建筑物动力特性测试的目的

8.2测试方法

8.2.1建筑物脉动试验的基本假设

8.2.2频率的确定

8.2.3确定振型的方法及其近似性

8.3陕西省电信网管中心大楼动力特性实测及分析

8.3.1测试仪器

8.3.2测试时间

8.3.3测试批次与测点安排

8.3.4测试记录与分析

8.3.5与其它超高层、高层建筑实测结果比较

8.3.6与设计计算结果比较

9考虑相互作用时地震反应分析的几点思考

9.1概述

9.2动力相互作用研究现状及对地震反应的影响

9.2.1动力相互作用研究现状

9.2.2动力相互作用对地震反应的影响

9.2.3土-结构动力相互作用的主要研究方法简介

9.3关于地震动输入的考虑

9.4关于地震反应分析方法的考虑

10结论与展望

10.1本文的研究成果及结论

10.2展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表的主要论文及主持或参加的主要科研项目、获奖情况

致 谢