《高层建筑基础分析与设计 教学课件 ppt 作者 袁聚云 12本科-2011秋-第十二章 高层建 筑地基基础共同作用分析计算实例》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高层建筑基础分析与设计 教学课件 ppt 作者 袁聚云 12本科-2011秋-第十二章 高层建 筑地基基础共同作用分析计算实例（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/23,1,2019/5/23,1,袁聚云教授 梁发云副教授 赵程讲师 同济大学地下建筑与工程系,2011年,高 层 建 筑 基 础,2019/5/23,2,高层建筑基础采用共同作用理论进行分析，涉及上部结构、基础与地基三者本身的特性，互相结合成一个整体进行计算与分析，相当复杂和困难。 共同作用分析的复杂性主要表现：在建筑物的施工和使用期间，地基变形的变化，上部结构和基础刚度的变化，以及它们之间的相互影响；地基的差异变形引起上部结构和基础内部荷载和应力的重分布；施工条件对地基变形及上部结构和基础刚度的影响；高低建筑物基础的差异沉降及变形规律；桩筏(箱)基础分担上部结构荷载的关系及其
2、影响因素等等。,第十二章 高层建筑地基基础共同作用的分析计算实例,2019/5/23,3,随着计算技术和计算机的飞速发展，可以通过计算分析来进一步理解和掌握高层建筑与地基基础共同作用的工作机理，探索合理而实用的高层建筑基础的分析与计算方法，以利于工程界具体应用。 前面各章介绍了高层建筑与地基基础共同作用的分析方法及实测研究，本章将通过高层建筑与地基基础共同作用的分析计算实例对共同作用的分析计算加以具体说明。 课堂教学主要介绍高层空间剪力墙箱形基础与弹塑性地基模型共同作用分析、高层空间剪力墙结构-桩-筏-地基的共同作用分析，其余的分析计算实例自学。,2019/5/23,4,第五节 高层空间剪力墙
3、箱形基础与地基的共同作用分析,分析方法： 采用双重扩大子结构有限元方法形成上部结构和箱基的刚度矩阵。 采用弹塑性地基模型建立地基刚度矩阵和相邻建筑的影响。 采用共同作用方法对高层空间剪力墙箱型基础与地基进行整体分析。,2019/5/23,5,一、双重逐步扩大子结构有限元方法,双重逐步扩大子结构有限元法是将整个结构看成是按开间、进深和层高尺寸分割成各种单元矩形板所组成的空间结构。 高层空间结构的每一层称为层子结构；其边界结点即为各层上下平面上纵横轴线的交点，结点自由度为3个方向上的线位移u、v和w(忽略了节点的3个转角)。 各种开洞的单元矩形板又可再视为板子结构，按开洞方式不同进一步分割为16块
4、矩形平面应力单元，以考虑开洞的影响(图12-31)。,2019/5/23,6,2019/5/23,7,板子结构的边界结点为4个角点，自由度为板平面内两个方向的线位移。 高层空间剪力墙结构就被离散为：先划分为各层子结构，各层子结构又分割为若干种板子结构这种双重嵌套的有限元(图12-32)。 利用逐步扩大子结构法，从板子结构到层子结构，逐板逐层扩大子结构，最终得到上部结构的边界刚度矩阵和边界荷载列向量。,2019/5/23,8,2019/5/23,9,按图12-31板子结构单元划分，通常有16个边界结点，每条边上除角点外还有3个结点可保持毗邻板子结构结点的连续性(图12-33a)。,内部节点,20
5、19/5/23,10,如此的板子结构单元划分，要求毗邻板子结构具有相同的有限元分割尺寸，从而使考虑形式多样的门窗洞口遇到极大困难。 如图4-46b，仅取板子结构的4个角点为边界结点，由于周边上无中间结点作为边界结点，位移的连续性可能不能保持，但边界结点数大大减少，且与装配式墙板的构造特点比较接近，可有效地减少层子结构刚度矩阵的元素总数。 楼面板承受的楼面荷载与自重，按静力等效原则转移到竖向墙板上去，荷载引起的横向剪切与挠曲在共同作用分析中不予考虑。,2019/5/23,11,高层建筑绝大部分是从下到上逐渐施工的，剪力墙结构从下到上逐渐施工时，混凝土硬结需要时间。 若以一个楼层为结构单位，则当施
6、加第m层荷载增量后，必然会出现结构刚度形成滞后于荷载施加的现象，第m层荷载增量仅由共m-k层的结构来承担，而第m-k+1层至第m层的刚度因混凝土尚未硬结而未形成，这种刚度与荷载的形成方式称为“滞后k层”。 共同作用子结构计算方法可以考虑结构荷载与刚度的形成方式，也能反映刚度滞后现象。,二、结构刚度的滞后现象和施工过程与工作状态的模拟方式,2019/5/23,12,滞后层数k的取值取决于施工方式，一般为1或2 取k值等于零，称为结构刚度“逐层形成”，见图12-34(a)。 取k值等于1或2，称为结构刚度“滞后1层形成”或“逐层2层形成”，见图12-34(b)。 为简化计算和比较结构按不同刚度参加
7、工作，还可分析“刚度一次形成”、“仅考虑箱形基础刚度”和“考虑技术层和箱基刚度”这三种荷载与刚度的形成方式，见图12-34(c)、(d)和(e)。,2019/5/23,13,2019/5/23,14,1.工程背景 计算分析上海四平大楼工程，该工程系由4个单元组成的12层高层住宅，第单元为计算分析的主体建筑，其与毗邻的、单元用沉降缝断开(见图12-35)。,三、计算实例的工程背景及计算图式,2019/5/23,15,底层标高为0.00，女儿墙顶标高35.00m。上部结构采用大模板施工，现浇钢筋混凝土墙体，楼面为预制卡口空心板，与墙体连接良好。 基础采用天然地基上的箱形基础。箱形基础和技术层半地下
8、室整体现浇，基础埋深5.2m，设置在第四层土中(表12-7)。,2019/5/23,16,基底面积490m2，箱基底板厚0.50m，技术层底板厚0.4m，顶板厚0.2m，箱基外墙板厚0.3m，技术层外墙板厚0.25m。 地基土的容许承载力为267kPa。基础底面的平均地基反力为188kPa，扣除土的自重压力和水浮力，基底附加压力为94kPa。 设计时，结构重心偏离基底形心，第单元偏心距ex=0，ey=23cm，故底板两端适当放大0.7m。 该工程施工缓慢，1976年3月破土至结构竣工，历时3年之久。,2019/5/23,17,2.计算图式,根据上部结构和箱形基础、技术层的分隔情况，它们的计算简
9、图为对称的16跨、开间3m，且有对称相邻建筑影响的空间剪力墙结构平面(图12-36)。,2019/5/23,18,箱形基础、技术层和标准层子结构分别由14，15和17种板子结构组成，节点编号以及基底分割方式见图12-37。 混凝土强度等级均为C28，箱形基础和技术层钢筋为HRB335级(级)，墙板钢筋为HPB235级(级)。 在计算中考虑结构刚度和荷载的不同形成方式。 地基采用弹塑性地基模型。,2019/5/23,19,2019/5/23,20,四、弹塑性地基模型及参数 (一)各向同性弹塑性地基模型与参数 各向异性弹塑性地基模型是在各向同性弹塑性地基模型的基础上改造后的得到的。 各向同性弹塑性
10、地基模型采用的是拉特-邓肯(Lade-Duncan)弹塑性地基模型，参数由上海软土三轴试验而得到(表12-8)。,2019/5/23,21,(二)各向异性弹塑性地基模型和参数 1考虑土体固有各向异性的破坏准则 上海软土是冲积土，呈现各向异性性状。 一般情况横向水平面为土的沉积面，规定与土体沉积面相垂直的方向(即沉积面法线方向)为z轴方向，而沉积面为xoy平面。 考虑土体固有各向异性土体的破坏准则为 式中：称为各向异性参数,2019/5/23,22,2考虑土体应力导致各向异性的破坏准则 考虑地基中初始各向不等压力所导致的土体应力各向异性的破坏准则为： 式中：q0为K0固结结束时的初始偏应力。 3
11、同时考虑土体固有各向异性和应力导致各向异性的破坏准则 将考虑土体固有各向异性的破坏准则与考虑土体应力导致各向异性的破坏准则进行合并，则有,2019/5/23,23,4上海软土各向异性弹塑性地基模型 根据塑性应变增量理论，可得到考虑土体各向异性的塑性应变增量和应力分量之间的关系为： 其中x和y分别为x方向各向异性参数和y方向各向异性参数，其定义：,2019/5/23,24,1.地基反力分布规律 图12-38是纵向平均地基反力的计算值和实测值的比较。,五、计算结果与分析,2019/5/23,25,图中左半部分为不考虑相邻建筑影响的情况，右半部分为考虑相邻建筑的情况。 从图中可以看到：利用弹塑性地基
12、模型计算得到的地基反力分布与实测值接近，且地基反力边缘部分比分层弹性地基模型缓和得多。,2019/5/23,26,地基反力的变化规律,为了探讨和分析共同作用下地基反力随层数的变化规律，右图给出上部结构2层、6层、9层以及12层时的地基反力分布图。 每层荷载约为10.73kPa。 计算中，不考虑相邻建筑的影响。,上部结构不同层数时 的地基反力分布图,2019/5/23,27,从图中可以看到，随着上部结构层数的增加，地基反力分布最初比较均匀，随后不断向边缘集中。 当上部结构层数增加到一定程度时，这种反力向边缘集中的现象就不十分明显了。 这说明当考虑地基土的弹塑性性能后，上部结构层数增加到一定程度时
13、，地基土塑性的出现会使地基反力发生重分布，因而基础边缘处的地基反力就不会出现无限增大的现象。,2019/5/23,28,2.地基变形 (1)各向同性弹塑性地基的计算结果 表4-26列出基础的平均沉降、平均横向整体倾斜和平均纵向弯曲的计算值和实测值的比较。 从表中可见： 弹塑性地基模型的计算值与实测值比较接近。 弹塑性地基模型在参与高层建筑箱形基础的共同作用分析中是适用和合理的。 主要的变形土层粘性土系三轴固结不排水试验测得的指标，故计算结果只能反映建筑竣工时的变形。,2019/5/23,29,(2)地基变形的变化规律 表4-27所列的是当上部结构分别为2层、6层、9层和12层时，基础平均沉降和
14、差异沉降等的计算结果。,2019/5/23,30,图4-73所示的是平均沉降与上部结构层数的关系 图4-74所示的是单位荷载差异沉降与上部结构层数的关系,2019/5/23,31,从表4-27和图4-73可见，基础的平均沉降是随着上部结构层数的增加而增加，与上部结构层数基本上成线性关系。 单位荷载平均沉降变化甚微，这说明上部结构刚度对基础平均沉降影响不大。 从图4-74可见，基础的单位荷载差异沉降随着上部结构层数的增加而减小，但当上部结构层数增加到一定程度时，这种减小就不十分明显了，这反映了上部结构刚度对基础的贡献是有限的。,2019/5/23,32,(3)各向同性地基模型与各向异性地基模型的
15、比较 图12-39和图12-40示出该大楼地基变形分别沿两纵向轴线的计算结果与实测结果的比较。 图中的实测结果是建筑物竣工3年后的地基变形实测值，因此接近建筑物的最终沉降量 图中的计算结果是计算参数均采用排水剪的指标的结果。,2019/5/23,33,2019/5/23,34,2019/5/23,35,从图中可以看到，各向异性弹塑性地基模型计算得到的地基变形要比各向同性弹塑性地基模型计算得到的地基变形值接近于实测结果。 各向异性弹塑性地基模型计算得到的差异沉降比各向同性弹塑性地基模型计算得到的地基差异沉降明显。 地基变形计算中当考虑土体各向异性时，其分布规律相对于不考虑土体各向异性时的计算结果
16、较为符合实测结果。 在计算分析中没有考虑地基蠕变等的影响以及很难模拟拔除板桩等的影响，地基变形沿纵向M轴的计算结果仍与实测结果有一定的差距。,2019/5/23,36,表12-10列出的是基础平均沉降、平均横向整体倾斜和平均纵向弯曲的计算结果以及与实测结果的比较。,2019/5/23,37,从表12-10可见，利用各向异性弹塑性地基模型所得到的横向整体倾斜和纵向弯曲均比各向同性弹塑性地基模型所得的相应计算结果为大。 对于基础平均沉降，两种弹塑性地基模型均与实测结果很好地相符。 计算结果表明，平均横向倾斜和平均纵向弯曲的估算应当考虑土体各向异性的影响。,2019/5/23,38,空间剪力墙结构采用双重扩大子结构有限元法，得到上部结构等效边界刚度矩阵； 厚筏采用厚板理论，得到厚筏基础刚度矩阵； 桩采用群桩共同作用分析的弹性理论法，得到桩土刚度矩阵。,第六节 空间剪力墙结构-桩-厚筏-地基的共同作用分析,2019/5/23,39,通过静力平衡条件和变形协调条件进行刚度总装得到的下式 (1
