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1、9 8 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 1 卷第2期 2 0 0 5 年 4 月 高层建筑上部结构、基础与地基土共同作用的 地震时程分析 李玉杯，熊峰(四川大学建筑与环境学院，四川 成都6 1 0 0 6 5)摘要：上部结构、基础与地基土为一整体系统，在地震作用下考虑系统的共同作用是结构精确分析的基础。本文以A N S Y S 有限元软件为工具，进行了框架结构、基础及地基的动力时程分析。通过 比较，考虑共同作用和非 共同工作系统的动力响应，分析了结构动力特性、结构的侧移、底层柱的内力和基底反力分布图，得出了一些有价
2、 值的结论，对工程设计有一定的参考意义。关键词：共同作用；动力时程分析；A N S Y S软件 中图分类号：T U 9 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 8 1 9 3 3(2 0 0 5)0 2 0 0 9 8 0 5 1 引 言 实际中的建筑物都是 由上部结构、基础与地基 土构成的整体，各部分之间相互影响，共同作用。目 前对这种结构体系进行共同作用的研究已越来越 多，但是，由于结构体系本身的复杂性，理论研究还 相对滞后，在高层建筑结构的地震动力反应的研究、实验或设计计算方面，均认为结构的基础落在刚性 地基上，忽略了地基土参与上部结构共同工作的动 力地震反应，这将造成动力特性计算
3、 的不准确和地 震反应结果不符实际，在客观上制约 了工程实际的 发展，也给建筑结构设计带来经济以及安全方面的 问题。因此，研究结构、基础与地基土的共同作用显 得十分必要。“共同作用”的概念是 1 9 4 7 年 Me y e r h o f 在对土 和框架结构相互作用的分析中首次提出来的。多年 来，一大批研究者提出了许多不同的分析方法，作了 大量的工作，归结起来可分为以下几类：一类是解析 法【6 8 ；通过理论分析，推导共 同作用后 的分析公 式；二类是实验研究方法，以原位测试法为主【9 ；工 程原位测试能直接反映实际的受力状态，通过对实 测结果的研究，可以揭示上部结构与基础和地基共 同作用
4、的机理，从定性和定量上提高对结构基础 地基共同工作特性的认识，这类方法的缺点是工 作量大，费用高，只能用来检验和判断理论分析的正 确性；三类是数值法 1 0 1 2 ，利用有限元、边界元等 方法分析系统的受力性能，这类方法 由于分析结果 准确、适用性强而倍受广大学者重视。无论那类研究，都偏重理论计算和方法的建立。事实上工程设计界对共 同作用性能理解不深，特别 是考虑共同作用后，结构性能会如何变化把握不准。经常认为，不考虑共同作用，结构 刚度大，地震作用 强烈，因此偏于安全。实际上共 同作用对结构的影 响是复杂的，并非都是有利的影响，随着结构层数的 增加，这种影响更加明显。因此，考虑结构系统在地
5、 震作用下的各种反应，分析对结构性能要求的变化，对结构设计概念的建立有较大的意义。为了全面认识上部结构、基础与地基土共同作 用结构的受力机理以及地震作用下的受力行为和抗 震性能，本文以A NS Y S通用有限元程序为工具，对 一框架结构单元在地震作用下的动力性能进行了分 析，通过对共同作用与刚性基础的比较，提出了一些 有价值 的结论，对上部结构设计有一定的参考意义。2 计算模型 2 1 模拟计算的实际工程简况 为简化计算，本文取一 1 0 层框架单元结构作为 分析实例，建筑平面及立面见图 1，2。建筑物总高 度为 3 1 5 m，上部结构为现浇框架结构，基础采用 天然地基上的板式基础，板基和地
6、下室挡土墙整体 量 部 框 架 I I 晷 t 0 0 0 0 。l 挡土墙，苎竺 釜 l 地基土 图 1 平面布置 图 2 立面 收稿 日期：2 0 0 4 0 8-0 6 作者简介：李玉杯(1 9 7 3 一)，男，山东苍山人，硕士研究生，主要从事 高层建筑结构研究。基金项目：I 1 1 1 1 省学术带头人培养基金资助项 目 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 1 0 0 四川建筑科学研究 第 3 1 卷 底层柱的轴力变化、基底反力分布形式以及地基沉 降情况。3 1 底层柱轴力分析 分以下几种情况分别计算了底层柱的轴力变化 工况 a 刚性基础 工况 b 分层地基土 工况 C
7、均质土，土弹性模量 E=3 MV a 工况 d 均质土，弹性模量 E=4 MV a 工况 e 均质土，弹性模量 E=6 MV a 工况 f 均质土，弹性模量 E=8 MV a 工况 g 均质土，弹性模量 E=1 0 MV a 计算结果见表 2。表 2 底层柱轴力比较 k N 先 比较工况 a和工况 b。由表 2可知，结构体 系在分层地基土的参与下，中柱轴力减少约9，边 柱增加了 2 1，而角柱增加更 多，达到 3 8。究其 原因，是由于土沉降不均，基础挠曲，上部结构产生 附加的次位移和次内力。其影响是上部柱的轴力出 现中柱卸载，边柱加载，角柱加载更甚的现象，使结 构产生 了内力重分布。从表 2
8、还可以看 出，随着地基土刚度增加，中柱 的轴力逐渐增加，而边柱和角柱的轴力逐渐减少，到 工况 g 时，轴力值已经接近刚性基础的情况。从中 可以得出结论：地基土刚度的增加抑制了内力重分 布的发展，原因是很显然的，地基刚度增加，那么，基 础在外力作用下所产生的弯曲变形减少，上部结构 所产生的次位移和次内力也就相应减少。3 2 基底反力分布形式 本文计算了在分层地基模型下，沿基础宽度方 向的基底反力，其分布形式绘制如图 7所示。从图7中可以看出：(1)两端边缘处反力值最 大，中间部位几乎相等，呈直线分布形式；(2)边缘处 反力值是中间值的7 8倍，中间值大部分为 0 0 1 MV a 左右，而边缘处
9、最大有 0 0 8 MV a。整个 变形 呈马鞍形分布，而在目前常规设计中，基底反力都取 为均匀分布，这将产生很大的误差，所 以，在地基基 础设计中考虑共同作用是很必要的。3 3 地基沉降分析 沉降计算节点见图8。地基选用成层地基土，基础混凝土强度等级选用 3个级别：C 2 5(E=2 8 G P a)；C 3 5(E=3 1 5 G P a)；C 5 0(E=3 4 5 G P a)。计算结果如图 9 所示。0 0 E+一2 0 E+4 0 E+一6 0 E+一8 0 E+一1 0 E+位置 m 6 4厂 J 图7 基底反力分布 l Y 。6 O 0 O 6 0 0 0 8 X 8 m 6
10、x l m n c1 n nn nn 图 8 沉降计算节点示意 图9 计算节点 Z向位移 从图 9 可以得到以下结论：(1)随着基础刚度的 增加，沉降有减少的趋势，在沉降最大点处，当基础 强度等级为 C 2 5时，沉降为2 3 5 ra m；C 3 5时，为2 2 1 m m；C 5 0时，为 2 0 0 r n ln。C 5 0与 C 2 5相 比，沉降减 少约 1 5；(2)沉降呈盆型分布，且随基础刚度增 加，曲线逐渐趋于平坦，也就是说，整个基础范围内 节点的沉降差有所减少，这体现了基础板的“架越”作用随基础刚度增加而得以增强的规律。4 动力特性分析 动力特性分析仍按 7种工况考虑，表 3
11、列出了 各工况的前 6阶自振周期，Ti 代表第 阶周期。根据表 2分析可以得出以下几点：(1)考虑共 同作用后，体系的周期 比不考虑相 维普资讯 http:/ 2 0 0 5 N o 2 李玉杯，等：高层建筑上部结构、基础与地基土共同作用的地震时程分析 1 0 1 互作用上部结构的周期增长。比较工况 a和工况 b 可知，前 3阶周期增加 2倍多，而后 3阶增加更大，达 3 倍。这说明，在土参与之后，系统的刚度有了较 大程度的降低。表3 基本周期计算结果(2)考虑相互作用后，基本周期变长，从反应谱 理论来讲，所受的地震作用将会变小。但是，从表中 还可以看出，其高振型的周期也变长，一旦接近地基 土
12、的卓越周期，就会产生共振效应，所 以，高层建筑 的破坏有可能是高振型的影响。因此，不考虑共同 作用有可能偏于不安全。(3)考虑均质土的情况，从表中可以看出，地基 土越软，周期增长越大，相互作用的效果越明显。5 时程分析 5 1 侧向位移分析 为了考察上部结构、基础、地基土共同作用下结 构的抗震性能，比较与非共同作用下结构的反应情 况，通过对 2 个模型的计算，对 比分析了位移反应。0 2 0 1 5 g 0 1 隘 一0 1 0 1 5 0 2 图 1 0 31 5 2 5 5 l 9 5 l 3 5 7 5 0 4 O l 2 0 2 0 o 图 1 1 加载末结构整体 位移 曲线 图 1
13、0和图 1 1 为中柱顶层的侧移曲线和各层的 变形情况，在考虑共同作用后，无论是顶层侧移还是 层间位移，均有显著的增加。在考虑土的影响后，结 构顶部最大侧移达到 1 9 0 r n l r l。而将基础固定时，其顶部最大侧移只有 1 1 0 r n l r l，相差悬殊。并且非 共同作用时，结构的侧移反应有随时间逐渐减少的 趋势，而考虑土体参与之后，位移则有逐渐增大的趋 势。从图 1 0可以看 出，在加载末，两种情况下的顶 层侧移相差4倍左右。从图 1 1 还可以看出，在加载 末，共同作用时结构顶部相对于基础的位移达到 1 7 5 r n l r l，远远大于非共同作用时的4 0 r n l
14、r l。表明结 构总体刚度下降，这样就上部框架而言，相对位移增 加，而对其延性要求也随之增加。5 2 底层柱 内力分析 在地震作用下，结构主要承受水平剪力，为考察 上部结构内力的变化，记录中柱与边柱的柱脚剪力 如图 1 2、图 1 3所示。Z 韫 匠 一 图 1 2 中柱 y向剪力比较 曲线 xl 0 s l 0 5 。匣 一0 5 图 1 3 边柱 y向剪力比较曲线 从图 1 2，1 3中可以发现，由于土的加人，使底层 柱的受力行为发生显著的变化，总的来看，y向剪 力在考虑共同作用下有较大程度的减少。对中柱来 说，在整个反应过程中，不考虑共同作用时最大剪力 为 2 4 0 k N，加载到 3
15、 s 左右就出现，共同作用时最大 值为 2 2 0 k N，直到接近加载结束时才出现此值；非 共同作用时边柱剪力最大值为 1 0 8 k N，共同作用时 却只有 7 1 k N。从 2个图中还可以看出一个趋势，即边柱内力的减少幅度要大于中柱。5 3 地基土刚度对上部结构的影响 为了比较地基土刚度变化对上部结构的影响，本文对地基土进行 了简化处理，把其当作单层土处 理，然后分别计算了土弹性模量 E=3，4，6，8，1 0 MP a 的情况下，上部结构 的动力时程反应。顶层侧 移 比较 曲线见图 1 4；上部结构柱底剪力动力时程 比 较 曲线见图 1 5 1 7；表 4 则列出了柱底 y 向剪力最
16、 大值以及顶层侧移最大值。从上面的图表中可以看出，随着土刚度的增加，上部结构的侧移明显减少，当 E=3 MP a 时，顶层最 维普资讯 http:/ 1 0 2 四川建筑科学研究 第 3 1 卷 图1 4 顶层侧向位移比较曲线 图 1 5 中柱柱底 y向剪力比较曲线 X1 0 s 图 1 6 边柱柱底 y向剪力比较曲线 Xl 0 s 图 1 7 角柱柱底 y向剪力比较曲线 大侧移为1 9 0 mm；而当E=1 0 MP a 时，最大侧移仅 为9 9 r n r n。图 1 5 1 7分别比较了当 E=3，6，1 0 MP a 时，中柱、边柱以及角柱柱底的 y向剪力。由 3 个图可以知道，初始时
17、，随着地基土刚度的增加，柱底剪力随之增大，在 E=6 MP a时，达到最大值，然后，随着土刚度的增加，柱底剪力反而减少，这在 表2中也得以充分体现。原因是在 E=6 MP a 时，由动力特性的分析可知(见表 3工况 e)，此时体系 的后 4阶周期都接近于土的卓越周期 0 5，从而产 生共振反应，使上部结构的动力反应大大增加，这就 有可能造成结构的破坏。因此，在工程设计中，要尽 量避免这种情况发生。表 4 柱底 y向剪力最大值以及顶层侧移最大值 E=3 ，a 3 7 9 E=4 胁4 7 5 E=6 ，a 6 0 7。E=8 ，a 3 8 6 E=1 O ，a 2 5 7 2 8 4 3 4 9
18、 4 1 3 2 5 5 1 8 9 2 4 9 7 1 9 O 3 0 8 4 1 8 6 3 1 8。8 1 8 O 2 3 5 2 1 2 4 1 7 7 3 9 9 6 结论 通过以上分析，表明考虑上部结构基础一地 基土结构共同作用后，结构的地震反应发生了较大 的变化，从而对结构抗震性能的要求产生较大的影 响。(1)静力荷载作用下，考虑相互作用后，内力重 分布明显，底层柱的内力出现 中柱卸载、边柱加载、角柱加载更甚的现象。地基反力呈马鞍形分布，基 础角部的反力约为中间部位的 1 8 1 7。相应地，地基沉降不均匀现象突出，呈盆状分布，中间大，边 缘小，并随着基础刚度的增加，沉降差减少，
19、沉降趋 于均匀。(2)考虑共同作用后，体系的自振周期为原来 的2 倍左右，并且地基土越软，体系的自振周期增加 越多，因而相互作用的效果也越明显。(3)在地震作用下，考虑共同作用后，侧向位移 增大，最大顶点位移增加约 7 2。因此，考虑共同 作用后，要求结构有较大的变形性能，即结构的延性 要求增加。(4)在地震作用下，考虑土参与之后，结构底层 柱的剪力反应减少，中柱减少 8，边柱减少 3 2，边柱减少的幅度大于中柱。(5)综合静力、动力分析结果表明，共同作用对 结构的影响是复杂的，尽管考虑共同作用后结构由 于刚度下降，内力反应减少，但同时结构位移增加，要求的延性性能增加。因此，在地震作用下，高层
20、建 筑设计应考虑上部结构一基础一 土的共 同作用，以 精确计算结构实际的地震反应状态。(下转第 1 0 6页)0=兮 0 n 0 加 n 加 簿 匠翠 3 2 。0 z 瓠匠 4 3 2 。0 0 z 瓠匠 维普资讯 http:/ 1 0 6 四川建筑科学研究 第 3 l 卷 盐侵蚀的快速试验方法，上述的所有这些因素都应 3 1：8 4 5 8 5 1 该被考虑。C 3 刘 宸，颜 碧兰，江 丽 珍 美国 现行的 两 个水 泥 抗 硫酸 盐 侵蚀 方 法标准对比试验研究C J 2 0 0 0，(3)参 考 文 献：妄 盐 侵 蚀 研 究 中 的 几 个 基 本 问 凝 1 湖南大学，等 建筑材
21、料 M 北京：中国建筑出版社，1 9 9 7 5 K u r t i s E，S h o m g l i n K，Mo n t e i r o P J M，H a r v e y J，R o e s l e r J A c 一 2 Ma B u S a n t h a mm，Me n a s h i D C o h e n，J a n O l e k S d f e a t t a c k r e c d e r a t e d t e s t f o r m e a s u r i n g s u l f a t e r e s i s t a n c e o f c a l c it m
22、a s u l f o al u s e a r c h-w h i t h e r n o w C J C n ent a n d c o n c r e t e r e s e a r c h，2 0 0 1，min a t e，c a l c i t a n a l t a n i n a t e，a n d p r o t h n d e e m e ms J Ma t e r i a l s i n C iv i l E n g i n e e r i ng，2 0 0 1，6(5)：2 1 6 2 2 1 Th e r e s e a r c h o n t e s t i n g
23、 me t h o d s o f s u l f a t e a t t a c k o f c o nc r e t e S HE N C h u n n i ，YANG De-b i n 1，F ANG Xi a n g-we i 2，Z HANG Ta o (1 C e n t r e o f B u i l d i n gMa t e r i a l s R e s e a r c h a n dT e s t，L o g i s t i c a l E n g i n e e ri n g Un i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4
24、 1，C h i n a；2 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g，L s t i c a l E n g i n e e ri n g Un i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 1，C hin a)Ab s t r a c t：Th e me c h a n i s m o f s u l f a t e a t t a c k con c r e t e wa s a n a l y z e d，a n d s o me p r o b l e m o f t wo
25、t e s t i n g me t h o d s s u l f a t e a t t a c k o f US A we r e an a l y z e d and i n v est i g a t e d Th e f a c t o r s o f r a p i d t est i n g me t h o d s o f s u l f a t e a t t a c k o f con c r e t e a r e p u t f o r wa r d Ke y wo r d s：c o n c r e t e；s u l f a t e a t t a c k；me
26、c h an i sm；t est i n g me t h od (上接第 1 0 2页)参 考 文 献：1 刘涛，杨凤鹏 精通 A N S Y S M 北京：清华大学出版社，2 O O 2 2 熊仲明，等 地震作用下桩一土共同作用对上部结构的影响分 析 J 西安建筑科技大学学报，1 9 9 9 3 李金光，等 刚性基础与地基共同作用的有限元分析 J 建筑 技术开发，2 0 0 1，(7)4 熊仲明，赵鸿铁 高层结构 一 桩 一土共同作用的地震反应分析 J 世界地质工程，2 o o 2，(6)5 孙毅，等 A n s y s 在桩土共同作用分析中的应用 J 苏州城 建环保学院学报，2 0 0
27、 2，(1)6 胡声松 高层建筑结构考虑地基土影响作用下的地震动力反应 J 湖北工学院学报，1 9 9 7，(3)7 熊仲明 框架结构在桩 一土共同作用下的内力计算分析 J 西 安建筑科技大学学报，1 9 9 9，(9)8 倪光乐弹性矩形板与弹性地基共同作用的简化计算方法 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 0，(9)9 姚仰平 黄土地区高层框剪结构一桩筏 一 地基的共同工作 J 岩土工程学报，2 0 0 1，(5)。1 O 王旭东，等群桩一 土一 承台结构共同作用有限层 有限元分析 J 南京建筑工程学院学报，1 9 9 4，(3)1 1 段继伟 一种层状地基上板土共同作用的数值分析方法 J
28、应用力学学报，1 9 9 5，(1 2)1 2 邓文龙，等 横观各向同性土介质与结构物共同作用的有限元 与边界元耦合分析 J 工程力学，1 9 9 6，(1 1)Ti me hi s t o r y a n a l y s i s f o r i n t e r a c t i o n o f s u p e r s t r u c t u r e，f o u n d a t i o n a n d s o i l u n d e r e a r t h q u a k e LI Yu-b e i，XI O NG F e n g (C o l l e g e o f A r c hi t e
29、c t u r e and E n vi r o n ment，S i c h u a nU n i v e r s i t y，C h e n g d u 6 1 0 0 6 5，C h i n a)Ab s t r a c t：Su p e rst r u c t u r e，f o u n d a t i o n an d Soi l i s a wh o l e s y s t e m。t h e con s i d e r a t i o n o f i n t e r a c t i o n o f s y s t e r n i s t h e b asi s t o a n a
30、 l y z e e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f s t r u ctu r e a c c u r a t e l yAi med b y t h e f i n i t e de me n t Sof t wa r e ANSYS，t h i s p a per c a r r i e s o u t a d y n a mi c a l and t i me-h i s t o r y a n a l y s i s o f a f r a me s t 九】c t u I|e C o mp a r i ng t h e d y n a m
31、i c a l r esp o n s e un d e r i n t e r a c t i o n wi t h n o n-i n t e rac t i o n o f t h e s y s t e m，i t i s a n a l y z e d f o r t h e d y n a mi c a l c h a r a c t e r i s t i c，t h e l a t e r a l d i s p l a c e me n t，t h e b o t t o m l u m s i n t e f()r c e a n d t h e d i s t ri b u t i v e c u r v e of t h e f o un da t i o n r e a c t i o n S o me con c l u s i o ns a r e ma d e，wh i c h are v a l u a b l e f l0 f e n g i n e e r i n g d esi g n Key wo r d s：i n t e r a c t i o n；t i me-h i s t o ry a n aly s i s；ANS YS Sof t ware 维普资讯 http:/