框架結構-樁筏基礎-地基共同作用的剪力和位移分析

張富鈞 田丹丹

（甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070）

由于建筑物高聳，不僅豎向荷載較大而相對集中，且風荷載和地震荷載引起的傾覆力矩也成倍增長[1][2]，因此傳統上的理論和方法就不能照搬于高層建筑[3]。同時，地震是重要的自然災害之一，故對工程結構進行抗震設計以降低地震帶來的危害是非常必要的。本文利用大型通用有限元軟件ANSY[4][5]建立了不考慮共同作用的傳統模型和考慮共同作用時的三維實體模型來研究上部結構-基礎-地基共同作用時的地震反應。

1 有限元模型的建立

本文的分析模型上部為一規則的空間框架結構，結構在X 方向為5 跨，Z 方向為3 跨，每跨跨度均為6m，結構高度方向為Y 向，框架共9 層，每層層高3.3 m，各層框架柱截面尺寸為600mm×600mm，梁截面尺寸為300mm×700 mm，梁的混凝土強度等級C30，柱的混凝土為C35，樓板為現澆鋼筋混凝土樓板，混凝土選用C30，板厚為100 mm，樓面活荷載為2kN/m2，框架梁上均布6kN/m 的線荷載，用來模擬填充墻的自重荷載，基礎采用樁筏基礎，筏板厚度為600mm，樁徑為600mm，樁長為15m，土體為黃土。共同作用的有限元模型如圖1。

圖1 框架結構-樁筏基礎-地基共同作用的有限元模型

2 地震波的輸入

本文對前面建立的模型，通過改變結構的樁徑、筏板厚度等參數，進行分析，比較結構在地震作用下的剪力和位移的變化。進行時程分析時，《建筑抗震設計規范》規定應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于二條實際地震記錄和一條人工模擬的加速度時程曲線[6]，由于缺少附近場地的實際地震記錄，本文采用埃爾森特羅（El-Centro）波進行分析。埃爾森特羅波的最大加速度值為3.417m/s2，時間取8 秒。本文分析中，按照我國抗震規范規定，將埃爾森特羅波的最大加速度幅值調至常遇地震時的加速度，峰值為0.7m/s2。

3 筏板厚度變化對共同作用模型地震反應的影響

為分析水平地震作用下基礎剛度對上部結構的影響，本文通過改變筏板厚度來改變基礎的剛度，取筏板厚度分別為0.6m、0.9m 和1.2m 的模型進行計算，計算結果見表1-表3，從表中數值可以看出，隨著筏板厚度的增大，最大位移和剪力都有所減小。增大筏板的厚度相當于增大基礎的剛度，這樣就加大了對上部結構的約束，因而位移和剪力減小。

4 地基剛度變化對共同作用模型地震反應分析的影響

在實際工程中，地基土在水平向對樁有一定的約束作用，就像在樁與樁之間有很大的彈簧存在，對樁產生一定的擠壓。在理論分析或設計時，為了簡化，省略了這些作用，因此，在這里對地基土對上部結構的影響進行研究。

表1 筏板厚度0.6m 計算結果

表2 筏板厚度0.9m 計算結果

表3 筏板厚度1.2m 計算結果

為分析地震作用下地基剛度對上部結構的影響，一般通過改變地基土的剛度，最簡單、最直接的辦法就是改變地基的彈性模量[7][8]。本文取地基的彈性模量分別為E =700M Pa 、E =800M Pa 和E =900 M Pa的模型進行計算，計算結果見下表4-表6所示。

從表4-表6可以看出，在水平地震作用下，結構的層間最大位移隨著地基剛度的增大而減小，因為地基土剛度變大，土體的約束力增大，建筑物、基礎的相對運動就減弱，因此位移也減小；同時，柱的剪力也有所減小。

5 結論

表4 E=700MPa 時的計算結果

表5 E=800MPa 時的計算結果

表6 E=900MPa 時的計算結果

對兩種模型進行了水平地震作用下的時程分析，得出的主要結論如下：

1）考慮共同作用后，在地震作用下框架結構層間最大位移和最大剪力隨基礎剛度的增大而減小。

2）考慮共同作用模型，上部結構的層剪力與傳統模型相比有所減小，在層數較低時減少幅度較大，層數較高時減小幅度相對較小，設計時應予以考慮，以免造成浪費或者不安全。