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.pdf

四川建筑科学研究第31卷第2期
98SichuanBuildingScience2005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610065)

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ANSYS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
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；ANSYS软件
中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：1008—1933(2005)02—0098—05

1引言强烈，因此偏于安全。实际上共同作用对结构的影
实际中的建筑物都是由上部结构、基础与地基响是复杂的，并非都是有利的影响，随着结构层数的
土构成的整体，各部分之间相互影响，共同作用。目增加，这种影响更加明显。因此，考虑结构系统在地
前对这种结构体系进行共同作用的研究已越来越震作用下的各种反应，分析对结构性能要求的变化，
多，但是，由于结构体系本身的复杂性，理论研究还对结构设计概念的建立有较大的意义。
相对滞后，在高层建筑结构的地震动力反应的研究、为了全面认识上部结构、基础与地基土共同作
实验或设计计算方面，均认为结构的基础落在刚性用结构的受力机理以及地震作用下的受力行为和抗
地基上，忽略了地基土参与上部结构共同工作的动
震性能，本文以ANSYS通用有限元程序为工具，对
力地震反应，这将造成动力特性计算的不准确和地
一框架结构单元在地震作用下的动力性能进行了分
震反应结果不符实际，在客观上制约了工程实际的
析，通过对共同作用与刚性基础的比较，提出了一些
发展，也给建筑结构设计带来经济以及安全方面的
有价值的结论，对上部结构设计有一定的参考意义。
问题。因此，研究结构、基础与地基土的共同作用显
2计算模型
得十分必要。
2．1模拟计算的实际工程简况
“共同作用”的概念是1947年Meyerhof在对土
和框架结构相互作用的分析中首次提出来的。多年为简化计算，本文取一10层框架单元结构作为
来，一大批研究者提出了许多不同的分析方法，作了分析实例，建筑平面及立面见图1，2。建筑物总高
大量的工作，归结起来可分为以下几类：一类是解析度为31．5m，上部结构为现浇框架结构，基础采用
法【6~8；通过理论分析，推导共同作用后的分析公天然地基上的板式基础，板基和地下室挡土墙整体
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，通过对实部框架量

测结果的研究，可以揭示上部结构与基础和地基共II
同作用的机理，从定性和定量上提高对结构—基础晷

—t0．000
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l挡土墙，
确性；三类是数值法[10~12]，利用有限元、边界元等苎竺／釜
方法分析系统的受力性能，这类方法由于分析结果l地基土
准确、适用性强而倍受广大学者重视。图1平面布置图2立面
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，特别收稿日期：2004—08-06
是考虑共同作用后，结构性能会如何变化把握不准。作者简介：李玉杯(1973一)，男，山东苍山人，硕士研究生，主要从事
高层建筑结构研究。
经常认为，不考虑共同作用，结构刚度大，地震作用基金项目：I~1111省学术带头人培养基金资助项目

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底层柱的轴力变化、基底反力分布形式以及地基沉础设计中考虑共同作用是很必要的。
降情况。3．3地基沉降分析
3．1底层柱轴力分析沉降计算节点见图8。地基选用成层地基土，
分以下几种情况分别计算了底层柱的轴力变化基础混凝土强度等级选用3个级别：C25(E=2．8
工况a刚性基础GPa)；C35(E=3．15GPa)；C50(E=3．45GPa)。
工况b分层地基土计算结果如图9所示。
工况C均质土，土弹性模量E=3MVa位置／m
0．0E+
64厂———J
工况d均质土，弹性模量E=4MVa一2．0E+
／＼
工况e均质土，弹性模量E=6MVa．4·0E+
／＼
工况f均质土，弹性模量E=8MVa一6．0E+

一8．0E+／＼
工况g均质土，弹性模量E=10MVa／＼
计算结果见表2。一10E+

表2底层柱轴力比较／kN图7基底反力分布

lY
6O0O6000
。

8

X

8

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先比较工况a和工况b。由表2可知，结构体
图8沉降计