框架結(jié)構(gòu)-樁筏基礎(chǔ)-地基共同作用時(shí)程分析

田丹丹 張富鈞

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

由于建筑物高聳，不僅豎向荷載較大、相對(duì)集中，且風(fēng)荷載和地震荷載引起的傾覆力矩也成倍增長(zhǎng)[1-2]，因此，傳統(tǒng)理論和方法不能照搬于高層建筑[3]。同時(shí)，地震是主要自然災(zāi)害之一，對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)以降低地震危害非常必要。本文利用大型通用有限元軟件ANSY[4-5]建立不考慮共同作用的傳統(tǒng)模型和考慮共同作用的三維實(shí)體模型來(lái)研究上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用時(shí)的地震反應(yīng)。

1 有限元模型的建立

本文的分析模型上部為一規(guī)則的空間框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在X方向?yàn)?跨，Z方向?yàn)?跨，每跨跨度均為6m，結(jié)構(gòu)高度方向?yàn)閅向，框架共9層，每層層高3.3m，各層框架柱截面尺寸為600mm×600mm，梁截面尺寸為300mm×700mm，梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，混凝土選用C30，板厚100mm，樓面活荷載為2kN/m2，框架梁上均布6kN/m的線荷載，以模擬填充墻的自重荷載?；A(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度為600mm，樁徑600mm，樁長(zhǎng)15m，土體為黃土。共同作用有限元模型如圖1。

圖1 共同作用有限元模型

2 地震波的輸入

對(duì)建立的模型進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力性能分析，并將兩者進(jìn)行比較。進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于二條實(shí)際地震記錄和一條人工模擬的加速度時(shí)程曲線[6]，由于缺少附近場(chǎng)地的實(shí)際地震記錄，本文采用埃爾森特羅（El-Centro）波進(jìn)行分析。埃爾森特羅波的最大加速度值為3.417m/m2，時(shí)間取8秒。分析時(shí)按照我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定，將埃爾森特羅波的最大加速度幅值調(diào)至常遇地震時(shí)的加速度，峰值為0.7m/m2。

3 傳統(tǒng)模型與共同作用模型地震反應(yīng)分析與對(duì)比

3.1 位移的分析與對(duì)比

為了比較兩種模型在地震作用下的響應(yīng)，提取傳統(tǒng)模型以及共同作用模型中結(jié)構(gòu)（以角柱為例）在頂層、6層以及3層時(shí)的X方向的位移時(shí)程曲線，見圖2-圖5。

從圖2-圖4可以看出，在考慮共同作用的模型中，樓層的最大位移值比傳統(tǒng)模型的位移值有所增大，其原因主要是考慮了下部的基礎(chǔ)和地基后，結(jié)構(gòu)的位移受基礎(chǔ)和地基產(chǎn)生平移、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)本身的變形等因素的影響?；A(chǔ)的平移以及地基剛性的減弱（與傳統(tǒng)模型相比）使得樓層的最大位移有所增大?；A(chǔ)與地基的剛度越小，結(jié)構(gòu)的水平位移會(huì)增大得越多。

圖2 角柱頂層時(shí)程位移對(duì)比圖

圖3 角柱6層的時(shí)程位移對(duì)比圖

圖4 角柱3層的時(shí)程位移對(duì)比圖

傳統(tǒng)模型中，角柱的最大位移發(fā)生在9層頂，最大值21.2mm，出現(xiàn)的時(shí)間約為2.84秒；共同作用模型中，角柱的最大位移也發(fā)生在9層頂，最大值22.8mm，出現(xiàn)的時(shí)間約為3.02秒。由此可見，在傳統(tǒng)模型和共同作用模型的情況下，最大位移發(fā)生的位置是一致的。將角柱各層的最大位移提取出來(lái)，并將相關(guān)結(jié)果以圖形的形式表現(xiàn)在圖5中，可以清楚看到結(jié)果。

從圖5可見，在埃爾森特羅波作用下，共同作用模型的層位移與傳統(tǒng)模型的層位移相比有所增大，但通過(guò)計(jì)算層間最大位移發(fā)現(xiàn)，共同作用模型的層間位移與傳統(tǒng)模型的層間位移相比稍小，說(shuō)明考慮共同作用可減少上部結(jié)構(gòu)內(nèi)的次應(yīng)力，也就是說(shuō)考慮共同作用后對(duì)整體結(jié)構(gòu)是有利的。

圖5 角柱層間最大位移對(duì)比曲線

在正常使用條件下，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度，以避免產(chǎn)生過(guò)大的位移而影響結(jié)構(gòu)的各種使用要求。同時(shí)，結(jié)構(gòu)樓層的抗側(cè)剛度是影響結(jié)構(gòu)層間位移的主要因素，抗側(cè)剛度可以通過(guò)層間變位角來(lái)表示。層間變位角是層間最大位移與層高的比值，由層間變位角可知結(jié)構(gòu)的薄弱層位置。在埃爾森特羅波的作用下，傳統(tǒng)模型層間最大位移發(fā)生在第二層，其最大值為3.24mm，層間最大轉(zhuǎn)角為1/1018，可見此層為結(jié)構(gòu)的薄弱層，層間最大轉(zhuǎn)角比JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的限值1/550小，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)滿足抗震性能的要求。共同作用模型的最大位移仍然發(fā)生在第二層，其最大值為3.64mm，說(shuō)明兩種情況下結(jié)構(gòu)的薄弱層出現(xiàn)的位置基本相同。

3.2 剪力的分析與對(duì)比

在埃爾森特羅波作用下，將兩種模型角柱的最大剪力提取出來(lái)，將這些剪力值繪成曲線圖的形式，如圖6?？梢钥闯?，考慮共同作用后，柱的剪力明顯減小。

圖6 角柱最大剪力對(duì)比圖

由圖6可以看到，在層數(shù)較低時(shí)，共同作用模型柱剪力比傳統(tǒng)模型柱剪力小30%左右；隨著層數(shù)的增加，兩者柱剪力逐漸接近，剪力減少的越來(lái)越少，但總體來(lái)說(shuō)，考慮共同作用后，柱的剪力仍然是減小的，也即對(duì)上部結(jié)構(gòu)是有利的。

4 結(jié)論

對(duì)兩種模型進(jìn)行水平地震作用下的時(shí)程分析，主要結(jié)論如下：考慮共同作用模型與傳統(tǒng)模型相比，在地震作用下，上部框架結(jié)構(gòu)樓層最大位移和樓層最大剪力都有所增大，而樓層的層間位移有所減小，說(shuō)明在一定情況下考慮共同作用后對(duì)結(jié)構(gòu)整體是有利的。