筏板基础与地基和上部结构的协同作用分析 --以北京市某高层建筑工程为例

在高层建筑地基、基础和上部结构三者相互作用的过程中,地基起主导作用,其次是基础,另外还受到上部结构刚度的约束作用.文章以筏板基础为例,介绍一种有限单元方法,把地基按分层变化的有限压缩层模式,将基础与地基视为两种不同的弹性体,在同时满足静力平衡和变形连续的条件下,引入上部结构在底层柱脚处对基础的约束作用,同时求得地基反力和基础内力,最后以一具体实例来论证之.     

上部结构－桩基—地基共同作用数值分析及桩基变刚度调平优化设计

本文采用有限元法对高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响进行了研究。研究表明:高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响时,基础总体沉降和差异沉降随楼层的增加呈非线性变化趋势,上部结构中存在次应力,弯矩和轴力比常规法设计偏大;随楼层的增加,桩体对荷载的分担比在减少,土体分担比在增加;随着上部结构刚度的增加,荷载向角桩、边桩集中;增加筏板厚度,能减少一定的差异沉降和基础平均沉降,从而减少上部结构的次应力,提高地基土的荷载分担比,同时筏板下桩顶反力分布更不均匀,因此需要从筏板受力,以及考虑筏下桩、土的受力来综合确定一个合理的筏板厚度,使设计安全经济;随着地基土变形模量的提高,地基土分担的上部荷载增加,桩顶反力趋向平均,筏板最大弯矩逐渐减小。桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整,并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知:改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。     

地基-基础-上部结构共同作用三维数值模拟分析

地基、基础与上部结构共同作用近年来成为理论研究与工程实践的热点问题。根据三者之间的相互作用原理,将地基基础与上部结构作为一个整体进行研究,通过选用合适的三维空间计算模型,考虑了材料的非线性和边界条件的非线性,应用数值仿真系统ANSYS程序对所建模型进行模拟分析。对于软硬不同的地基模型,计算结果表明,不同硬度的地基会在上部结构及基础中产生应力重分布,同时还得出了地基土应力的空间分布规律,此结果具有一定的理论和应用意义。     

建筑边距对岩坡地基及上部结构影响数值分析

为节约用地,山地城镇建设中有些建筑建于岩坡地基上,岩坡地基与上部建筑结构之间的共同作用分析成为山区岩土工程实践中的一个课题。基于有限元分析的数值方法,对均质岩坡上建筑边距(建筑距坡顶边缘的距离)对上部建筑结构与地基基础相互作用的影响进行了计算分析,其中边坡地基为10 m高的直立岩坡,基础为平板式筏基,建筑边距分别考虑了2、5、8 m的3种情况。研究了3种建筑边距情况下边坡地基的强度变形情况及上部框架结构、筏板基础的内力和变形情况,分析中上部结构、基础与边坡地基满足三者的受力平衡和变形协调条件。得出了相关结论,对工程实践有一定参考意义     

考虑上部结构的桩筏基础非线性共同作用分析

当前虽然已有考虑桩筏非线性的设计,但仍无人在此基础上,考虑上部结构。因此考虑上部结构,进一步认识其与桩筏基础非线性共同作用机理,优化桩筏基础设计,具有重要的现实意义。本文以子结构法凝聚上部结构的荷载及刚度,以平面壳体单元模拟筏板,按有限层法模拟桩土之间的弹性相互作用,用广义剪切位移法模拟桩的非线性工作性状,建立了一种考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性分析方法,并编制了分析程序。通过实例分析,探讨了上部结构与桩筏基础非线性共同作用的机理,研究了合理布桩方式,探讨了以差异沉降为目标的优化设计的可能途径。     

透射边界-地基-风电结构地震响应与破坏模式

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先,建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型;然后,简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量（加速度、速度和位移）的原因所在;最后,对给出的3种作用模式：（1）固定边界地震动输入,（2）只考虑外源输入波作用,（3）同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用,分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析,（1）澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因,这种输入方法合理可靠,符合实际情况;（2）在地震波等效荷载的生成中,针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法,大大减小了工作量;（3）从自身振动特点及阻尼设置角度,解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因;（4）指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。     

刚性桩复合地基抗震性能的振动台试验研究

为研究刚性桩复合地基的抗震性能,设计并完成了刚性桩复合地基1:10比尺的振动台试验。试验采用柔性容器这一较新的技术较好地模拟了地基在地震作用下的振动变形。此外,为解决模型与原型难以较好相似的问题,模型中尝试采用了在基础底板施加竖向力、在结构上附加阻尼器等措施。通过大量激振试验,对刚性桩复合地基的地震反应性态、柔性容器的效果等问题进行了研究。结果表明,柔性容器能够较好地解决模型试验的边界问题,刚性桩复合地基具有良好的抗震性能,桩身应变在地震作用下均未达到极限值,上部结构特性对桩身变形有一定影响,振动使土体对基础的约束减弱,但对桩的约束增强。     

高层建筑逆作法施工沉降差控制分析

沉降差控制是软土地区逆作法施工中的关键技术。根据逆作法施工特点,采用上部结构、地基和基础共同作用理论,对算例进行计算,根据结果,分析沉降差与上部结构、地基刚度贡献以及地下连续墙深之间关系,以使逆作法施工控制中有的放矢,减少沉降差带来的负面影响。     

移动荷载作用下饱和土体上筏板-上部结构的动力响应分析

根据饱和土比奥理论与最小势能原理及薄板理论,采用子结构法,把上部结构、基础和地基作为一个共同作用的整体,在接触界面上满足变形协调条件,建立移动荷载作用下饱和土体地基-筏板-上部结构共同作用的积分方程。对积分方程的数值求解和相应的Fourier逆变换,得到任意时刻上部结构、筏板的内力和位移以及地基反力。最后通过数值计算,分析了饱和土体参数、移动荷载的速度等对上部结构水平、垂直方向的振动的影响特点。数值结果表明：上部结构各层的水平位移、竖向位移都随荷载速度增大而增加;竖向位移随楼层增加变化不大,当荷载速度较低时,水平位移随上部结构高度的变化曲线平滑少弯折,说明振动较稳定。但当荷载速度较高时,水平位移随楼层变化曲折越明显,层间差异大     

隐伏岩溶条件下的上部结构-基础-地基共同作用数值模拟分析

基于龙岗区某超高层大夏,建立岩溶地基-基础-上部结构共同作用的有限元计算模型,模拟分析溶洞的应力、应变、位移及桩基础受力性能,并将分析结果与传统设计方法（上部结构与地基基础分离成两部分计算）进行对比分析,指出岩溶地基条件下传统设计方法的局限性。其研究结果表明:对于岩溶地基而言,共同作用对柱产生的次应力较小,但个别角柱次应力较大;剪力墙的次应力较大,且其布置方式对共同作用有较大影响,此应力随楼层的增加衰减很快;针对岩溶地基,筏板基础是比较适合的基础形式,在共同作用中起很大作用。      

建筑联合体整体平移的基础处理技术

结构整体平移技术为旧城改造提供了一种新的技术手段。以焦作矿务局建筑联合体的平移为工程背景,详细地介绍了建筑联合体平移过程中的基础处理技术,包括平移前对旧基础的改造、行走基础的设计和平移后新基础的设计和新地基的处理,特别地分析了上部结构框架柱与后浇混凝土基盘之间的冲切薄弱面的冲切破坏机理,并提出了抗冲切的设计方法,通过试验研究和有限元分析,说明所采取的技术措施是可行的。     

深厚软基上多(高)层建筑桩基础的共同作用分析

探讨了深厚软弱地基上多（高）层建筑桩基础的共同作用分析方法,建立了桩土相互作用的界面模型,采用子结构法考虑上部结构刚度对基础变形和地基沉降的影响,同时考虑地基为弹塑性的,并采用无限元法考虑远场区域的影响。通过一个工程实例验证了模型的合理性,计算结果表明,计算方法能反应深厚软弱地基上桩基础的沉降特性。     

深基坑工程逆作法的理论与计算

把高层建筑与地基基础共同作用理论引伸到深基坑工程的逆作法,考虑地下墙的共同作用,形成比较完整的深基坑工程的逆作法理论和方法。利用编制的程序,可以计算逆作法和半逆作法施工过程中各个工况的地下墙、楼板、立柱桩以及基础(筏或箱)板浇注后的受力和变形,此外,还可计算地下墙和桩的荷载分担等。结合上海一幢高238 m,60层的超高层建筑带10层的裙房,桩筏基础,深为18.95～24.00 m和面积22 000 m2的基坑工程进行计算,以图与表阐述逆作法的特点,并与实测结果对比分析,说明该理论的合理性和可行性,有助于提高深基坑工程的设计与施工水平。     

基坑预留土台的简化分析方法研究

利用有限元软件对基坑预留土台对围护结构的内力及变形的影响规律进行研究,并对预留土台作用下围护桩的内力及变形的简化计算方法进行探讨。分析结果表明,预留土台的存在对减小围护桩的内力及变形具有显著的作用,且随着预留土台宽度、高度的增大,围护桩的内力及变形呈明显的减小趋势,但当预留土台宽度增大至约1倍开挖深度时,围护桩的变形逐渐趋于稳定。当计算预留土台作用下的围护桩变形及内力时,先利用弹性地基梁法计算该开挖深度下的围护桩的变形及内力,然后乘以预留土台的面积折减系数,即可得到预留土台作用下的围护桩变形及内力。经实际工程验证,采用该简化计算方法可较为简便地计算预留土台作用下围护桩的内力及变形。     

刚性桩复合地基地震反应机理分析

为研究刚性桩复合地基的抗震性能,用刚性桩复合地基振动台试验验证了所采用的等效线性方法及其参数取值,在此基础上针对实际问题进行了三维有限元分析,对地基分层、土体模量、桩径、桩长、垫层厚度和垫层模量等因素对复合地基地震反应的影响进行了分析讨论,对刚性桩复合地基在地震荷载作用下的工作机理进行了较详细的分析。结果表明,等效线性方法能较好地模拟结构-复合地基相互作用的特性;上部结构惯性力和自由场变形对复合地基桩身内力影响都较大;地基明显软硬分层的存在,会使桩身内力显著增大。     

基坑工程有限元数值分析结果的可视化表达

针对基坑工程的施工力学特性,采用双扫描线提出有限元数值计算结果可视化后处理方法,在阐述了双扫描线方法的基本原理和实现方法的基础上,编制了可视化后处理类程序,并整合到所开发的基坑开挖有限元分析程序中。最后,对某一开挖基坑计算结果进行了处理,得到了满意的效果。     

桩基础托换开发地下空间不均匀沉降的数值分析

桩基础托换法开发既有建筑物地下空间的施工过程可分为桩基托换前、托换后和土方开挖至设计标高3个工况。施工过程会使既有建筑物地基产生二次沉降变形,由此产生的附加内力会影响到上部结构的安全。为了研究一个3层框架结构建筑物增加一层地下室桩基础托换过程的地基沉降规律,建立了3个工况的ANSYS三维有限元模型,并进行数值分析。通过定义路径的方法,可以得到3个工况的沉降曲线和柱脚处地基的沉降差。从沉降分析的结果可以看出：桩基托换前,地基总的沉降趋势是中间部位柱脚大于周边部位柱脚的“盆式沉降”;桩基础托换后,柱脚处的沉降差进一步增大;土方开挖后,由于下层土被“卸载”,中间部位柱脚处的地基明显回弹,使得中间部位柱脚与周边部位柱脚的沉降差出现了减少的趋势。最大的沉降差出现在桩基托换后土方开挖前,此时由沉降差引起的上部结构的附加弯距可以通过ANSYS有限元分析求出。     

筒型基础防波堤稳定性简化计算方法

筒型基础防波堤是一种新型港口与海岸工程结构,依靠下部筒体沉入土中维持结构稳定。结合实际工程,建立了筒型基础防波堤稳定性分析的三维弹塑性有限元模型,得出了其失稳模式为绕基础筒底以下某点发生转动失稳。通过对结构进行极限状态受力分析,建立了基于实际转动点的结构稳定性计算方法,对稳定性计算模型和土体作用力计算公式等进行了检验。在此基础上,将转动点移至基础筒底部距结构中心线水平距离为h′的位置,以此作为结构倾覆破坏时的假想支撑点,建立了基于重力式结构稳定性验算模式的筒型基础防波堤稳定性分析的简化方法。通过不同基础尺度下计算结果的分析比较,建议了h′的取值。与有限元计算结果的比较表明,建立的简化计算方法具有较高的精度,可供实际工程参用。