王亮

一、引言

要正確地解決土—結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)的相互作用問(wèn)題，首先要正確地確定結(jié)構(gòu)傳遞給下部基礎(chǔ)和地基的荷載，而大量的工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)表明其受基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和地基土本身性質(zhì)等各種因素的影響。傳統(tǒng)計(jì)算方法在分析過(guò)程中，不但對(duì)上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)做了簡(jiǎn)單化，還對(duì)下部地基土體也做了很多簡(jiǎn)化和假定。由于土是一種非常離散的介質(zhì)，是土—液—?dú)馊囿w，其物理、力學(xué)指標(biāo)的影響因素非常多，如土的結(jié)構(gòu)、土的礦物含量、土的受力歷史等，傳統(tǒng)方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，如土體應(yīng)力狀態(tài)、土體沉降變形等，都只能適用于非常理想的均質(zhì)等向彈性體。其計(jì)算結(jié)果跟真實(shí)土體誤差太大，對(duì)解決應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)更復(fù)雜的土體，傳統(tǒng)計(jì)算方法不能很好地勝任。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和以有限元為代表的數(shù)值分析法的日益成熟，為我們更好地解決這個(gè)問(wèn)題提供了另一種思路和方法，更是促進(jìn)了數(shù)值分析法在各種工程問(wèn)題上的廣泛應(yīng)用。本文基于工程實(shí)踐，通過(guò)使用兩種方法對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析、計(jì)算進(jìn)行比較，可以看出有限元分析法在解決實(shí)際問(wèn)題的深度和廣度上都有比傳統(tǒng)方法更多的優(yōu)越性，可以為工程設(shè)計(jì)、施工提供可靠的參考依據(jù)，在復(fù)雜問(wèn)題的解決上的表現(xiàn)更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的計(jì)算方法。

二、計(jì)算方法

1.傳統(tǒng)計(jì)算方法

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，現(xiàn)有各種傳統(tǒng)土體應(yīng)力計(jì)算方法把土體應(yīng)力產(chǎn)生的原因分為自重應(yīng)力與附加應(yīng)力，前者是由于受到重力作用而產(chǎn)生的，后者是由于受到建筑物等外部荷載作用而產(chǎn)生的。對(duì)地基土，因其在水平方向及深度方向相對(duì)于建筑物的尺寸，被認(rèn)為是無(wú)限延伸的；在計(jì)算土體附加應(yīng)力的分析中，其計(jì)算理論基礎(chǔ)，比較經(jīng)典的有布西奈斯克解和西羅提解，都是基于土體是均勻連續(xù)的、土體是各向同性的和彈性三個(gè)假定。

試驗(yàn)表明：土體中的土顆粒和水體的壓縮量都是非常小的，通?？梢院雎?。因此，土體的壓縮是由空隙的減小引起的。傳統(tǒng)方法認(rèn)為在荷載作用下，土體的沉降可以分為瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。

2.有限元分析法

隨著有限元方法的出現(xiàn)和有限元技術(shù)軟件、硬件上的提高，數(shù)值分析方法得到廣泛應(yīng)用。而在工程問(wèn)題上，人們對(duì)建筑的質(zhì)量的要求也日益提高，特別是對(duì)沉降和變形有特殊要求的建筑物，則需要采用復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用數(shù)值方法來(lái)求解，現(xiàn)在隨著有限元技術(shù)的推廣和軟件的完善，基于土的彈塑性本構(gòu)模型的有限元方法可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。所以，對(duì)于有限元分析法，如何正確確定土體參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系至關(guān)重要。

三、計(jì)算實(shí)例

1.有限元分析法

有限元模型所模擬的結(jié)構(gòu)實(shí)例為2×4榀框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土樓板。現(xiàn)澆混凝土坡屋頂共四層，1～4層層高分別為4.5m、3.6m、3.3m、3.3m。本例中用beam23 2-D塑性梁?jiǎn)卧M混凝土柱，用plane42 2-D平面單元模擬混凝土樓板和坡屋頂屋面板?；炷恋牟牧夏Ｐ筒捎肁NSYS內(nèi)置的DP（Drucker-Prager）本構(gòu)模型。

計(jì)算給出結(jié)構(gòu)底部剛結(jié)的各項(xiàng)反應(yīng)云圖，如下：

從下圖1可知，當(dāng)認(rèn)為結(jié)構(gòu)為剛性固結(jié)時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果表明其總位移最大值為1.047E-03。

下文給出的ANSYS結(jié)果均為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位，下面分別給出結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—地基土模型的各項(xiàng)反應(yīng)云圖，如下：

從下圖2可知，當(dāng)認(rèn)為結(jié)構(gòu)為剛性固結(jié)時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果表明其總位移最大值為0.078。

從下圖3可知，當(dāng)認(rèn)為結(jié)構(gòu)為剛性固結(jié)時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果表明其彎矩：-66927≤MZ≤37513，柱底彎矩（從左到右）依次為0、0、-26424、-17633、0；軸力-438607

四、結(jié)論

本文從理論和實(shí)例分析檢驗(yàn)了有限元數(shù)值分析方法在土結(jié)相互作用方面的適用性和高效性。土結(jié)相互作用是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，本文也僅僅是在靜力方面給出結(jié)論，至于結(jié)構(gòu)受到其他的荷載條件如動(dòng)力沖擊、地震作用等，各種不同的工作條件對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很大，對(duì)土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響更是不可忽略，因此對(duì)具體結(jié)構(gòu)的土結(jié)相互作用應(yīng)具體分析。

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