劉 青 麗
(大同市永泰廣場(chǎng),山西 大同 037000)
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土體與框架結(jié)構(gòu)的共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響研究
劉 青 麗
(大同市永泰廣場(chǎng),山西 大同037000)
綜述了目前框架結(jié)構(gòu)的整體分析計(jì)算方法,介紹了實(shí)現(xiàn)以等效柱考慮土體約束作用的框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算方法的研究方法和步驟,歸納總結(jié)了地基土體對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和特點(diǎn)。
框架結(jié)構(gòu),土體,基礎(chǔ)埋深,計(jì)算方法
對(duì)于框架結(jié)構(gòu)在無地下室且基礎(chǔ)埋置深度較深的情況下,如何進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算,根據(jù)現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)實(shí)例及有關(guān)文獻(xiàn)資料[1-10]記載有以下幾種:
1)在地面處增設(shè)縱橫向地梁(框架梁),不設(shè)板。不考慮地梁下結(jié)構(gòu)部分,以地梁處作為底層框架的嵌固點(diǎn),進(jìn)行框架整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。
2)在地面處設(shè)一剛性地面層(即設(shè)板),以剛性地面層作為底層框架的嵌固點(diǎn),進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算,不考慮地梁下結(jié)構(gòu)部分。
3)地梁設(shè)置情況同1),將地梁下柱的抗側(cè)移剛度與地面上底層柱抗側(cè)移剛度進(jìn)行比較,以兩者之間的剛度比值是否超過一定值來判斷框架底層嵌固點(diǎn)是否位于地梁處,還是基礎(chǔ)面處,進(jìn)而進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。剛度比限值,各地取值不一,有的認(rèn)為剛度比大于2即底層嵌固點(diǎn)位于地梁處,有的認(rèn)為應(yīng)取大于5或8。
4)地梁設(shè)置情況同1),框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí),將地梁下土中結(jié)構(gòu)部分,作為一個(gè)結(jié)構(gòu)層(即增設(shè)一層),加入框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算,不考慮土體約束作用。
5)不設(shè)地梁,框架結(jié)構(gòu)底層計(jì)算高度,直接取自基礎(chǔ)面至2層樓面,不考慮地面以下土體約束作用。
6)不設(shè)地梁,引用文克勒(winkler)地基理論中基床系數(shù),以考慮土體約束作用。取框架結(jié)構(gòu)底層一根柱(包括土中部分柱),以頂端為滑動(dòng)支座,下端基礎(chǔ)面為固定支座作為計(jì)算簡(jiǎn)圖,根據(jù)位移法,計(jì)算抗側(cè)移剛度,并利用抗側(cè)移剛度相等條件,導(dǎo)出底層柱的等效高度,進(jìn)而進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算。
7)參照中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元之分析與設(shè)計(jì)軟件》(Satwe軟件)中,考慮回填土對(duì)地下室約束的相對(duì)剛度系數(shù)的作法,以土中柱、墻表面積與假定有相同地質(zhì)條件下地下室外墻(完全剛性)表面積之比值,乘以該軟件所提供的相對(duì)剛度系數(shù),得出一折算相對(duì)剛度系數(shù),作為考慮周圍土體對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用,輸入該軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。
8)采用有限元等數(shù)值方法對(duì)上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基共同作用進(jìn)行分析計(jì)算。
土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,它既與基礎(chǔ)的埋深有關(guān)[1],也與場(chǎng)地土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)自身的性質(zhì)有關(guān)[2,3]。近年來,國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家,學(xué)者對(duì)此問題做了不少研究,概括起來土體與結(jié)構(gòu)共同作用及基礎(chǔ)埋深對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,可分為以下幾大類:1)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響;2)對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響;3)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響;4)對(duì)結(jié)構(gòu)的基本周期、自振頻率等的影響;5)對(duì)地基承載力的影響。以下分別討論。
2.1對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響
文獻(xiàn)[4][5]對(duì)框架結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用做過研究。文獻(xiàn)[4][5]基礎(chǔ)類型分別為樁筏和樁基,主要考慮樁與地基土共同作用。文獻(xiàn)[4][5]通過有限元分析,得出的結(jié)論是:考慮土體與結(jié)構(gòu)共同作用會(huì)使框架結(jié)構(gòu)的水平位移增大,且建筑物越高,其頂點(diǎn)位移增加值越大。原因是:由于框架結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度較小,在水平荷載作用下整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生典型的剪切變行,且樁基礎(chǔ)也會(huì)產(chǎn)生一定的水平位移與轉(zhuǎn)角,改變了底層柱受力狀態(tài),其頂點(diǎn)水平位移是底層柱柱腳發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)及各層框架發(fā)生剪切變形,而累加形成的。因而,與常規(guī)方法中將底層柱角視為完全固接的情況相比,柱底的轉(zhuǎn)動(dòng)改變了底層柱的受力狀態(tài),使柱頂?shù)膹澗仄毡樵龃螅瑢娱g位移也隨之增大,柱底彎矩的變化又影響上部結(jié)構(gòu)的變位,依次類推,故導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移的增大。這從一個(gè)側(cè)面說明了,在本選題的情況下,如果將框架底層的嵌固點(diǎn)設(shè)在地梁處,將地梁處看成剛性點(diǎn),而忽略地梁下土中結(jié)構(gòu)部分,是不合適的。
基礎(chǔ)的埋置深度對(duì)上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)也有影響,文獻(xiàn)[6]針對(duì)不同的高層建筑基礎(chǔ)的埋深,通過分別輸入地震波,進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算分析,分析結(jié)果表明:高層建筑基礎(chǔ)的水平位移隨著基礎(chǔ)埋深的增加而減少,建筑物頂部的位移隨著基礎(chǔ)埋深的增加而減少,而建筑基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角隨著基礎(chǔ)埋深的增加而增大。也有文獻(xiàn)[7][8]認(rèn)為:在規(guī)范要求的基礎(chǔ)范圍內(nèi),增加埋深可在一定程度上減少建筑結(jié)構(gòu)頂部的位移,但是所減少的位移幅度不大,即增減基礎(chǔ)的埋深對(duì)考慮地基—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響并不明顯。有研究表明:在上部荷載相同的情況下,建筑物的豎向沉降變形隨著基礎(chǔ)埋深的增加而明顯減少,最終趨向于一個(gè)極限,同時(shí)上部荷載的大小將關(guān)系到基礎(chǔ)埋深對(duì)沉降變形影響程度的大小[9]。
2.2對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響
考慮上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用,將使底層柱的內(nèi)力發(fā)生重新分布,邊柱的柱底彎矩值下降,中柱的柱底彎矩上升,柱頂?shù)膹澗刂灯毡樵龃?,梁的?nèi)力產(chǎn)生增大變化,且這種現(xiàn)象一般在結(jié)構(gòu)的底層較為顯著,沿結(jié)構(gòu)的高度這種現(xiàn)象會(huì)逐漸消失,文獻(xiàn)[4][5]對(duì)上述現(xiàn)象做過研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)上述問題也做過研究,得出的結(jié)論為:在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,考慮共同作用時(shí),底層柱特別是角柱,邊柱軸力變化較大。但認(rèn)為按常規(guī)方法設(shè)計(jì)時(shí),邊柱偏于不安全,中柱過于浪費(fèi)。
有研究[10]采用彈性地基梁鏈桿法并考慮基礎(chǔ)埋深影響的方法,對(duì)基礎(chǔ)梁的內(nèi)力進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果表明:不考慮基礎(chǔ)埋深影響的基礎(chǔ)梁內(nèi)力大于考慮基礎(chǔ)埋深影響的基礎(chǔ)梁內(nèi)力。
當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí),其對(duì)基礎(chǔ)變形約束大,基礎(chǔ)猶如倒置的連續(xù)梁,在基礎(chǔ)梁內(nèi)不產(chǎn)生整體彎曲,故基底分布反力為外荷載產(chǎn)生局部彎曲,當(dāng)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí),上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的變形約束小,于是在基礎(chǔ)梁上產(chǎn)生局部彎曲的同時(shí),還產(chǎn)生很大的整體彎曲。
文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了彈性地基上的片筏基礎(chǔ)與土的相互作用分析,在計(jì)算地基變形時(shí),考慮了基礎(chǔ)埋深的影響,并討論了考慮與不考慮基礎(chǔ)埋深兩種情況下地基反力和基礎(chǔ)內(nèi)力、沉降的變化,得出如下結(jié)果:
1)當(dāng)基礎(chǔ)埋深大于1.5m時(shí),必須考慮基礎(chǔ)埋深影響。2)對(duì)于淺埋(埋深小于1.5m)的片筏基礎(chǔ),若不考慮基礎(chǔ)埋深,對(duì)地基反力、基礎(chǔ)內(nèi)力和地基沉降影響不大。
隨著基礎(chǔ)埋置深度的增加,阻尼增大后,結(jié)構(gòu)底部剪力會(huì)相應(yīng)減小,而且土質(zhì)越軟,埋置深度越深,底部剪力減少越多。
2.3對(duì)上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
基礎(chǔ)的埋深對(duì)建筑物的抗滑,抗傾覆有著很大的作用。高規(guī)對(duì)高層建筑的基礎(chǔ)埋深做了詳細(xì)的規(guī)定,主要原因是:地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)與基礎(chǔ)埋置深度關(guān)系較大,尤其場(chǎng)地土為軟弱土層時(shí)表現(xiàn)更為明顯,為確保建筑物的安全,增強(qiáng)抗滑移和抗傾覆的能力,故高層建筑的基礎(chǔ)應(yīng)有一定的埋置深度。當(dāng)抗震設(shè)防烈度下場(chǎng)地差時(shí),更宜采用較大的基礎(chǔ)埋置深度。文獻(xiàn)[12]針對(duì)兩幢不同的高層建筑物,分別進(jìn)行了地震作用下的抗滑穩(wěn)定性分析,以研究高層建筑物的穩(wěn)定性與基礎(chǔ)的埋置深度的關(guān)系,研究結(jié)果表明:建筑物基礎(chǔ)的埋置深度對(duì)建筑物的抗滑穩(wěn)定性有著顯著的影響。但也有文獻(xiàn)[12][13]研究表明,在地震烈度8度以下,層數(shù)不是很多的建筑物,在符合高規(guī)規(guī)定的高寬比下,即使基礎(chǔ)埋置很淺,也不容易產(chǎn)生傾覆,滑移或地基失穩(wěn),可以滿足抗滑穩(wěn)定的要求。
2.4對(duì)上部結(jié)構(gòu)的基本周期、自振頻率、加速度等參數(shù)的影響
文獻(xiàn)[10]研究表明:地基土和上部結(jié)構(gòu)共同工作體系的基本周期與基礎(chǔ)埋深多少的關(guān)系不大。文獻(xiàn)[14]研究也表明,在場(chǎng)地條件相同情況下,共同工作體系的自振頻率與基礎(chǔ)埋深的關(guān)系不明顯,但文獻(xiàn)[15]研究卻表明:共同工作體系的自振頻率及上部結(jié)構(gòu)的加速度和位移峰值,隨著建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深的增大而相應(yīng)增大。
2.5對(duì)地基承載力的影響
許多研究資料表明,地基承載力隨基礎(chǔ)埋深增加而增大,并且近似呈線性增長(zhǎng)。主要原因是:隨著埋深的增加,土體自重的增加,使地基極限荷載和臨塑荷載均有較大提高,但塑性區(qū)的開展范圍將減少,故地基承載力得以提高。
對(duì)目前框架結(jié)構(gòu)的整體分析計(jì)算方法進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述,并提出了實(shí)現(xiàn)以等效柱考慮土體約束作用的框架結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算方法的研究方法和步驟,歸納總結(jié)了地基土體對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和特點(diǎn),為工程設(shè)計(jì)分析提供參考。
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Theeffectofstructureduetothecollectiveeffectbetweenfoundationandframe
LiuQingli
(Yongtai Square from Datong, Datong 037000, China)
Carriesonthesummaryandthenarrationtothestatedabovetype’sportalframeconstruction’soverallanalysisandcomputationalmethod.Andalsopointingouttheresearchtechniqueandthestepintheoverallframeconstructionanalysisandcomputationmethodswhicharerealizingtheequivalentcolumnconsiderationsoilbodyrestraintfunction,itsummarizesandconcludestheeffectandcharacteristicofgroundsoilbodytotheconstructionstructure.
framework,soilbody,foundationdepth,calculationmethod
1009-6825(2016)23-0055-02
2016-06-05
劉青麗(1969- ),女,工程師
TU323.5
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