上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究分析-毕业设计(论文).pdf
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1、浙江大学硕士论文上部结构刚度对班筏基础内力的影响研究上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究摘要常规设计方法没有考虑上部结构与地基基础的共同作用,忽略上部结构对基 础的约束(即上部结构刚度的贡献)作用,计算结果导致基础弯矩和纵向弯曲过 大,基础设计偏于保守。本文首先阐述了考虑土一桩一筏相互作用的桩筏基础简化分析方法和有限 单元法的基本原理。采用简化分析方法分析地基与基础间的相互作用,采用三维 有限单元法分析上部结构和基础间的相互作用,通过一个简单的框架模型探讨了 上部结构刚度对基础内力的影响规律,论证了常规设计方法的不足。为简化分析,本文在考虑土一桩一筏相互作用的桩筏基础简化分析方法基础 上,提出
2、了上部结构刚度对桩筏基础内力影响的简化分析方法。该方法将上部结 构对基础作用简化为一系列分布弹簧,以模拟柱、剪力墙和筒体等结构物的抗弯 和抗剪作用。研究了有限单元法、简化方法和不考虑上部结构影响时计算结果的 差异,指出简化方法不仅具有分析简单方便的优点,而且计算结果较不考虑上部 结构影响更加合理。通过数值算例分析了上部结构刚度对桩筏基础变形和内力的 影响规律。最后,利用本文提出的方法分析了一个工程实例。关键词:桩筏基础共同作用简化分析上部结构浙江大学硕士论文上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究Study on the Effect of Superstructure on the behavi
3、ourof a Pile-raft FoundationABSTRACTIn con ven tion al d esign meth od s,th e in ter action s between super str uctur es an d foun d ation s ar e n ot con sid er ed,an d th e con str ain t of super str uctur e towar d s foun d ation s(i.e.th e con tr ibution of th e r igid ity of super str uctur e)a
4、r e n eglected,wh ich lead to over-lar ge ben d in g momen ts an d buck lin g of foun d ation s an d con ser vative foun d ation d esign.In th is paper,th e simplified an alysis meth od of p2e-r afl foun d ation s con sid er in g in ter action s of soil-pile-r aft an d th e basic pr in ciples of th
5、e Fin ite Elemen t Meth od ar e ex plain ed.Simplified an alytical meth od is ad opted to an alyze th e in ter action s between soil an d foun d ation s,th r ee-d imen sion al fin ite elemen t meth od is used to an alyze th e in ter action s between super str uctur es an d foun d ation s,th e effect
6、 law of super str uctur es towar d s th e in ter n al for ce of foun d ation s is d iscussed th r ough a simple fr ame mod el,an d th e in sufficien cy of con ven tion al meth od is d emon str atedTo simplify th e an alysis,a simplified an alytical meth od con sid er in g th e in ter action s of th
7、e r igid ity of super str uctur es is put for war d in th is paper Th e action of super str uctur es towar d s foun d ation s is simplified as a ser ies of d istr ibuted spr in gs,so as to simulate th e ben d in g r esistan t an d sh ear r esistan t action of str uctur es such as column s,sh ear wal
8、ls an d h ulls.Th e d iffer en ces ar e stud ied amon g calculation r esults by fin ite elemen t meth od,simplified meth od an d th e meth od n ot con sid er in g th e effect of super str uctur e r espectively,an d th e simplification meth od is in d icated to possess th e ad van tages of simple an
9、d con ven ien t an alysis an d h ave mor e r eason able r esults compar ed with th e meth od n ot con sid er in g th e effect of super str uctur e.Th r ough th e n umer ical ex ample,th e effect law of super str uctur e r igid ity towar d s th ed efbr mation an d in ter n al for ce of stak e-r aft f
10、oun d ation is an alyzed.At last,th e in fluen ce of super str uctur e is an alyzed in a pr actical case with th e meth od submitted in th is paper.Keywords:pile-raft foundations interactions simplified ana lysis superstructure上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究第一章结论第一章绪论1.1 上部结构与地基基础共同作用的概念上部结构与地基基础共同作用,即是把上部结构、基础和
11、地基(有桩基础包 括桩)三者看成一个整体,井要满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变.形协调条件国。利用共同作用来分析这三者的内力和变形的方法就称为共同作用 分析方法。常规设计方法先把上部结构隔离出来,并用固定支座来代替基础,求得上部 结构的内力和变形以及支座反力,但是支座是没有任何变形的(图1.1(a);接 着把支座反力作用于基础上,用材料力学方法求得地基反力R,地基反力是线性 分布的,从而得到基础的内力和变形(图1.1(b);再把地基反力作用在地基或 桩上来设计桩数或校核地基强度和变形(图1.1(c)。这种设计方法忽略了基础 的变形和位移,人为地把基础和上部结构分开计算。通过工程实践检
12、验,发现上 部结构实际内力往往与常规设计理论值有很大差距,底层梁柱和边跨梁柱尤为明 显,甚至出现严重开裂。相反,基础的内力则比常规设计理论值小得多。因此,上部结构与地基基础共同作用问题在工程实践中被提出.77/1-Lr(a)(b)(c)图1.1常规设计方法1上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究第一章绪论因为地基土属于半无限体,所以上部结构与地基基础的共同作用通常都是三 维空间问题(图L2(c),计算工作量非常大。另外,地基土是三相体,由于水 的存在,使地基土的物理力学性质与钢、木和混凝土力学性质截然不同,这就使 上部结构与地基基础共同作用分析难度大大增加,故分析是相当复杂的。为方便 起见,可考
13、虑地基与基础的共同作用或基础与上部结构的共同作用(图1.2(a)、(b;或简化为二维问题来进行共同作用分析。地基 地基(a)地基与基础的共同作用(b)上部结构与基础的共同作用(C)上部结构与地基基础的共同作用图1.2共同作用分析1.2 共同作用的研究背景及现状随着高层建筑的大量兴起和计算机数据处理技术的迅速发展,上部结构与地 基基础共同作用问题近年来越来越受到工程界的重视。早在20世纪50年代,共同作用问题已受到人们的重视,有代表性的是梅耶 霍夫(GG Meyer h of,1953)提出估算框架结构等效刚度的公式以考虑共同作 用。尔后,岑米斯基(S.Ch ameck i,1956)【叫 格罗
14、斯霍夫(H.Gr ossh of,1957)相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。当跨入20世纪60年代,萨玛(H.Sommer,1965)提出一个考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应 力和弯矩的方法,随着有限元和计算机的发展,申凯维茨和张佑启(0.C.Zein k eiwicz an d Y K.Ch eun g,1965)回应用有限元研究地基基础的共同作用,普 齐米尼斯基(J.S.Pr zemien ieck i,1968)提出子结构的分析方法,为哈达丁(M.2上部结构刚度对班筏基础内力的影响研究第一章绪论J.Had d ad in,1971)同首次利用子结构的分析方法研究地基基础
15、与上部结构共同 作用打下基础。翌年,克里斯琴(J.T.Ch r istian,1972)四在高层建筑的规划与 设计会议上阐述高层建筑与地基基础共同作用问题。从事该课题的研究人员日益 增多,例如,李和哈里申(LK Lee an d H.B.Har r ison,1970)叫 海恩和李(S.J.Hain an d L.ICLee,1978)皿,兰纳斯和伍德(W.J.Lamach an d L.A Wbod,1972)叫 胡珀(J.A.Hooper,1973)叫,金和钱得拉斯肯(G J.W Kin g an d V.S.Ch an d r sek am,1974)口久 华杜和弗拉萨(L.J.War
16、d le an d R.A Fr azer,1975)【叫 胡珀和伍德(J.A Hooper an d L A Wbod,1976)口句等。迄至1977年,在 印度召开第一次“土与结构物共同作用”国际性会议。论文集中反映该课题在当 时的新水平。之后,共同作用课题越来越引人注目,几乎涉及到所有工程问题。普洛斯(H.G Poulos,1980)口刀在第十届国际土力学及基础工程会议(1981年)上作了土和结构物共同作用的总报告明,详述了土与结构物共同作用的发展和 前景,他利用明特林(R.D.Min d lin,1936)四公式提出桩与地基土共同作用的 弹性理论法,推动了桩土与上部结构基础共同作用的深
17、入研究。Pr ice,G等人 网1986年利用共同作用原理对11层高层建筑桩筏基础作了设计尝试。在国内,20世纪60年代初也有学者对共同作用问题做过一些研究工作,20 世纪70年代,我国高层建筑逐渐兴起,促使高层建筑与地基基础共同作用研究 加速开展。从1974年起先后在京沪等地区对十幢高层建筑箱形基础与地基基础 共同作用进行比较全面的现场测试,在理论上作了比较系统的探索,积累了宝贵 的经验和难得的数据,为我国高层建筑箱形基础设计与施工规程(JGJ6-80)的编制创造了有利条件,使我国的箱形基础设计提高到一个新的水平。1982年、1986年、1990年我国在第一、二、三届岩土力学解析与数值方法会
18、议和1983 年、1987年、1991年我国第四、五、六届土力学及基础工程学术会议上均设有 共同作用专题组进行讨论。特别在1993年召开了第一届结构与介质相互作用学 术会议,使共同作用课题不但在岩土工程中得到发展,而且应用到其他学科中去。1985年董建国、路佳等对共同作用原理在高层建筑地基基础中的应用作了首次 尝试田】,随着建筑物越造越高,高层建筑与地基基础(包括箱、筏、桩)的共 同作用研究也得到深入开展。赵锡宏等著的上海高层建筑桩筏基础与桩箱基础 设计理论阳反映了 80年代后期该课题的理论和实践成果。董建国等网对共同 3上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究第一章绪论作用在设计上的应用提出建议
19、,杨敏阳对上部结构与桩筏基础共同作用作了深 入的理论和试验研究,黄绍铭、裴捷等网的减少沉降桩的研究与其在多层建筑 的应用以及疏桩工程的设计均是上部结构与地基基础共同作用理论在基础设计 上的应用。1991年编制的建筑桩基技术规范环】也在多处强调要考虑承台、桩群、土之间的共同作用。1997年,董建国和赵锡宏著的高层建筑地基基础 一共同作用理论与实践,针对高层建筑地基基础的特点,比较系统地阐述了高 层建筑一基础(箱(筏)基础与桩箱(筏)基础)一地基共同作用的地基模型、分析方法与设计理论,总结了高层建筑地基基础共同作用的工作机理和设计建 议。陈云敏等提出了一种考虑土一桩一筏相互作用的桩筏基础简化分析法
20、,将群桩中每根桩的桩顶沉降分成桩身压缩和桩端沉降分别计算,桩身压缩由单桩 静载荷试验或其它方法估算,桩端沉降根据分层总和法计算;将桩简化成弹簧作 用在筏板下,弹簧刚度根据桩顶平均荷载和相应的沉降获得;采用16节点退化 实体等参元对筏板进行有限元分析,获得筏板的沉降和内力等;并编制了相应的 配套计算软件POGAP,该方法桩的刚度计算相对简单,可以考虑成层地基、地 基层厚不均匀等情况,板单元特别适合于平面形状不规则及变厚度的筏板分析。1.3目前主要采用的共同作用分析方法在共同作用分析中,上部结构和基础通常是由梁、板单元组成,因此可以采 用有限单元法、有限条分法、有限差分法或解析方法建立上部结构和基
21、础的刚度 矩阵,并利用变形协调条件与地基的刚度矩阵耦合起来。地基首先需确定采用何 种地基模型:线弹性地基模型,非线性弹性地基模型还是弹塑性地基模型。然后 建立地基的刚度矩阵。当然也可以采用有限单元法、有限差分法或解析法建立地 基的刚度矩阵。但是习惯上用所谓的结构力学法来建立各种地基模型的柔度矩 阵,然后求逆得到它们的刚度矩阵,与上部结构和基础的刚度矩阵耦合起来,从 而求得地基反力和沉降。在共同作用分析中,可以根据实测结果把基础和上部结 构视作绝对刚性基础进行简化的共同作用分析,也可以考虑基础与上部结构的实 际刚度进行共同作用分析。4上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究第一章绪论1.有限单元法有
22、限单元法(F E M fin ite elemen t meth od)是目前结构分析中最常用、最有效的数值分析方法,它是把具有无限个自由度的结构连续体离散化为只有有 限个自由度且仅在单元节点上连接的单元集合体,对于每个单元选择一个简单的 函数来近似表达其位移分量的分布规律,并按弹、塑性理论中的变分原理建立单 元节点力和位移之间的关系,最后把所有单元的这种特性关系集合起来,就得到 一组以节点位移为未知量的代数方程组,借助于计算机解这个方程组就可以求出 结构体上有限个离散节点上的位移分量。2.有限条分法有限条分法首先是用于上部结构的分析,并取得了相当的成功。Ch eun g(1976)提出将有限
23、条分法(fin ite str ip meth od)用于单桩,使其可以更有 效地求解层状地基中桩与土体的相互作用问题。在此基础上,Ch eun g e t al(1988)根据叠加原理将这种无限层法推广到群桩中用以分析地基中群桩的特性。王文、顾晓鲁(1998)进一步以三维非线性棱柱元模拟土体,将桩土地基分割成一系列 的横截面为封闭或单边敞开的有界或无界棱柱体单元,利用分块迭代法求解桩土 筏体系。3.有限差分法有限差分法的特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。一个问题 的有限差分法求解步骤是:首先将求解域划分为网格,然后在网格的节点上用差 分方程近似微分方程。当采用较多的节点时,近似解
24、的精度可以得到改进。借助 于有限差分法,能够求解某些相当复杂的问题。特别是求解建立于空间坐标系的 流体流动问题,有限差分法有自己的优势,但用于几何形状复杂的问题时,它的 精度将降低,甚至发生困难。4.子结构法从80年代开始随着计算机数值模拟技术的发展,高层建筑结构计算分析领 域又出现了子结构分析技术,其主要特点是统一考虑上部结构、基础和地基三者 的共同作用,以离散形式的特征函数一地基刚度矩阵表征地基土支承体系的刚 度贡献,运用空间子结构方法将上部结构的刚度和荷载逐层向下凝聚到基础子结 构的上部边界,形成全部上部结构的等效边界刚度矩阵和等效边界荷载向量,将 5上部结构刚度对桩筏基础内力的影响研究
25、第一章绪论它们叠加到基础子结构上去,根据基础与地基接触点的静力平衡和位移协调条件 就能得到考虑三者共同作用的线性代数方程组,求解该方程组后就得到基础子结 构的节点位移,再从下向上进行子结构回代即可得到上部结构各节点的位移,从 而进一步给出所有节点上的内力。下面阐明子结构分析方法的原理,以一个平面框架结构为例,如图1.3所示。现把结构内的结点自由度区分为内结点自由度(以/表示)和边界结点自由度(以 力表示),则结构内的总自由度为2即=1 士儿整个结构的结点位移扪和荷 载伊的关系可写出平衡方程为忸国力(LD式中:幻一整个结构的刚度矩阵把式(1.1)用分块矩阵形式表示,则式中:9,也,内结点和边界结
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