上部结构、筏板基础和地基共同作用的有限元分析

考虑上部结构、筏板基础和地基的共同作用,运用ANSYS有限元计算方法,通过上部结构、筏板基础和地基之间在连接点处的静力平衡和变形协调条件,分析了上部结构对筏板基础变形、内力影响以及筏板基础对上部结构变形、内力的影响,探讨了共同作用的影响规律。计算结果表明,考虑共同作用时,上部结构承担了部分筏板基础荷载,使筏板基础内力、变形减小;考虑筏板基础的刚度时,由于整体弯曲的作用,使上部结构的应力产生重分布,梁产生了附加弯曲应力,增大了上部结构的内力,因此在工程设计中应考虑共同作用的影响,使工程更安全、更经济。     

结构–桩筏–地基体系时间效应的三维数值分析

软土的非线性特性及上部荷载作用下地基的固结效应对上部结构内力分布及桩筏基础变形往往具有不容忽视的影响。不考虑上部结构刚度影响的共同作用分析常规设计方法与二维简化方法尚未全面地反映共同作用体系的实际工作机理。为此基于Biot固结理论,考虑地基土的弹塑性特性,对上部结构–桩筏基础–地基共同作用体系的时间效应进行了三维有限元数值分析。结果表明:地基的固结效应对共同作用体系的承载机理与变形协调能力具有显著的影响,共同作用体系的工作性能紧密地依赖于超孔隙水压力随时间的变化特征。同时上部结构刚度对共同作用体系的时间效应也具有不可忽视的影响。因此,在共同作用体系分析中应合理地考虑结构刚度效应和地基固结的时间效应。     

共同作用对上部结构和桩筏基础的影响

以贵州省遵义市某县棚户区（城中村）改造项目为研究算例,利用SAP2000有限元分析软件建立框架剪力墙结构-桩筏基础-地基共同作用的三维有限元模型和不考虑三者共同作用的一般三维模型。与不考虑共同作用的一般模型相比,考虑共同作用后,上部结构的内力和桩顶的反力都增大,筏板沉降和筏板内力都减小,说明筏板沉降和筏板内力的安全储备较大。因此,在结构工程设计过程中,考虑上部结构、基础和地基共同作用的设计理念和方法与建筑物实际受力特征更相符,设计结果也更合理,同时也要考虑三者共同作用时上部结构和桩顶反力的不利影响。     

上部结构-筏板-地基相互作用的有限元分析

重点研究了空间框架-筏板-地基共同作用时上部框架及筏板基础的受力和变形性能,选用合适的三维空间计算模型,应用有限元仿真软件ANSYS程序对所建立的模型进行分析。设置不同刚度的三种地基模型,探讨其变化对上部框架及筏板基础的影响。计算结果表明：不同刚度的地基作用对上部框架及筏板的沉降差影响并不大,但是对筏板的沉降影响大,内部应力也将会发生重新分布。同时得出地基土应力变化特征,对结构设计的安全性及经济性提供依据。     

上部结构-筏基-地基共同作用子结构法FEM分析

应用子结构法理论,将上部结构刚度矩阵凝聚到筏板基础,同时将采用D—P模型的地基土体弹塑性刚度矩阵也凝聚到筏板基础上,建立了考虑上部结构、基础、地基共同作用的三维弹塑性有限元模型理论。利用此理论建立某工程框架结构裙楼一框架芯筒结构主楼一筏板基础一地基共同作用FEM模型,通过ANSYS程序对此模型进行数值模拟。结果表明,主楼结构的柱、梁应力在考虑共同作用比不考虑共同作用有增大趋势,群楼柱轴应力在考虑共同作用比不考虑共同作用小,而群楼梁弯应力却相反。并进一步分析得出考虑共同作用基础沉降差引起上部结构杆件应力重新分布,尤其是基础沉降差引起主楼的柱轴应力、梁弯应力的变化率大于群楼柱轴应力、梁弯应力的变化率的结论,该结论对以后工程设计有重要参考价值。     

上部结构-筏基-地基共同作用子结构法FEM分析

应用子结构法理论,将上部结构刚度矩阵凝聚到筏板基础,同时将采用D-P模型的地基土体弹塑性刚度矩阵也凝聚到筏板基础上,建立了考虑上部结构、基础、地基共同作用的三维弹塑性有限元模型理论.利用此理论建立某工程框架结构裙楼-框架芯筒结构主楼-筏板基础-地基共同作用FEM模型,通过ANSYS程序对此模型进行数值模拟.结果表明,主楼结构的柱、梁应力在考虑共同作用比不考虑共同作用有增大趋势,群楼柱轴应力在考虑共同作用比不考虑共同作用小,而群楼梁弯应力却相反.并进一步分析得出考虑共同作用基础沉降差引起上部结构杆件应力重新分布,尤其是基础沉降差引起主楼的柱轴应力、梁弯应力的变化率大于群楼柱轴应力、梁弯应力的变化率的结论,该结论对以后工程设计有重要参考价值.     

考虑共同作用时上部结构刚度对基础沉降与内力的影响

利用大型通用有限元软件ANSYS14.0建立了框架结构–桩筏基础–地基共同作用的整体有限元分析模型。通过改变上部结构的刚度来研究考虑共同作用后筏板的沉降和筏板内力的变化规律。计算结果表明,随着上部结构刚度的增加,上部结构刚度对建筑物基础沉降的影响越来越小。上部结构刚度较小时,筏形基础主要以整体弯曲变形为主,上部结构刚度较大时,筏板中的应力呈增长趋势。随着上部结构刚度的增加,筏板弯曲变形的增长幅度减弱。     

高层建筑上部结构和基础及地基相互作用分析

结合工程概况，介绍了筏板基础形式的高层建筑不考虑与考虑相互作用时的内力分析，并对考虑相互作用时上部结构、基础和地基刚度变化时对上部结构和基础内力的影响进行了阐述，从而为高层建筑上部结构、基础和地基共同作用的进一步研究提供了理论基础。     

框剪结构—桩筏基础—岩质边坡地基共同作用影响数值分析

随着城市的快速发展,土地变得越来越稀缺,特别是对于山地城市,不得不考虑在岩质边坡上修建建筑物,因而对上部结构、岩质边坡地基与基础间的共同作用研究具有实践意义。使用有限元分析方法,分析上部结构层数、岩石强度和建筑边距对共同作用下筏板内力的影响,并与未考虑共同作用的常规设计方法进行对比。计算结果表明,考虑共同作用的筏板主应力小于常规设计,其中最大主应力由筏板中部向四周转移。随着上部结构楼层数增加,上部结构对筏板刚度的贡献加大,对筏板应力的调节作用增强,基底反力向周围扩散,筏板应力分布更加均匀。     

跨越地铁高层建筑桩筏基础数值模拟研究

基于某跨越地铁高层建筑的设计实践,利用ABAQUS建立剪力墙与桩筏基础和地基共同作用的三维有限元数值模型,研究了跨越地铁隧道的桩筏基础受力和变形性状,并分析了上部结构刚度、逐层施工、地铁隧道跨度、跨越地铁隧道方式等因素对其影响。结果表明,上部为剪力墙结构的高层建筑,考虑上部结构刚度作用可显著减小筏板的差异沉降和弯矩。当上部结构刚度达到一定程度后,其对筏板差异沉降和弯矩的调节能力减弱,表现出上部结构刚度贡献的有限性。随着地铁隧道跨度的增加,筏板最大沉降、差异沉降和弯矩都增大。桩筏基础以筏板对角线与地铁隧道中心线重合的方式跨越地铁隧道对筏板的内力和变形影响最小。桩顶反力数值计算结果与实测数据较为吻合。     

上部结构、梁板式矩形筏基和地基共同作用解析分析

将弹性地基上的梁板式矩形筏基视为十字交叉梁与平板组合体系,上部结构刚度简化为等效刚度板,采用半数值、半解析方法,通过梁、板、柱以及地基之间力与位移平衡协调分析,可得到考虑上部结构刚度时梁板式筏基与地基共同作用的半数值、半解析解。该方法收敛性较好,未知量少,便于实际应用。算例结果表明,上部结构刚度对梁板式筏基的变形和内力影响显著。工程实例表明,该方法具有较好的适应性,特别是对于常规的岩土工程勘察资料,可采用插值的方法进行地基沉降系数计算。     

桩间距对桩筏基础结构性能影响的模型试验研究

 为研究桩间距对桩筏基础结构性能的影响,设计并进行不同桩间距的桩筏基础系列模型试验。结果表明,设置不同的桩间距可调配群桩基础中桩与筏板的分担作用,调整桩筏基础的受力性能。常规桩距桩筏基础以桩为承载主体,地基土的荷载分担次之;当桩间距大于6倍桩径后,桩较早进入塑性支承状态,地基土分担荷载能力增强,桩与筏板荷载分担的主次作用发生转换,筏板逐渐转换为基础的承载主体。随着桩间距增大,筏板内力分布由整体弯曲过渡到以局部弯曲为主。桩筏基础桩顶荷载分布规律受桩间距的影响,随着桩间距增大,桩顶荷载由角桩最大逐渐转化为中间桩最大。建议桩筏基础设计方法应考虑桩间距设置对筏板与桩土体系相对刚度、筏板内力和桩顶荷载不均匀特征的影响。     

桩筏基础在竖向荷载作用下的时间效应

大量桩筏基础下存在较厚的饱和软弱下卧层 ,其变形和内力的研究不仅涉及到筏板、桩和土三者之间的相互作用 ,而且还跟时间有很大的关系。在建筑物施工和使用期间 ,地基变形逐步发展 ,基础的刚度不断变化 ,两者之间产生相互影响。地基的差异沉降还引起筏板及上部结构内力的变化。本文首次研究了存在软弱下卧层的桩筏体系的工作性状随时间变化规律 ,发现桩筏基础筏板内力、变形及桩顶反力受时间的影响较为显著     

可控刚度桩筏基础桩土共同作用的工程实践

端承型桩等支承刚度较大的桩基础,在正常工作荷载作用下,桩顶较小的竖向变形无法保证桩土共同作用的实现,这可能导致良好的天然地基承载力得不到充分利用,造成极大的浪费。介绍的典型工程成功解决了支承刚度较大的桩基础难以实现桩土共同作用的问题,同时还实现了桩筏基础的变刚度调平,通过对工程设计及数值分析过程的详细论述与描写,并将现场测试数据与分析结果进行对比分析,验证可控刚度桩筏基础应用于该项目的合理性与可靠性。数值分析及现场实测结果显示,本工程采用可控刚度桩筏基础后,建筑物总沉降和差异沉降均满足设计要求,地基土分担了上部结构63%的的荷载,桩基数量大幅度降低,减少了高能耗建材的使用和桩基施工对周边环境的影响,取得了显著的经济效益和社会效益。本工程可控刚度桩筏基础实施所取得的相关经验与成果可供类似工程借鉴与参考。     

框架结构-筏基-土体共同作用数值模拟分析

上部结构-基础-地基之间相互作用和共同工作问题的研究长期以来是土木建筑工程中非常重要的课题之一.本文采用ANSYS10.0,建立了九层框架结构、筏基和土体共同作用的有限元模型,通过数值模拟计算,比较了共同作用的分析方法与常规计算方法的结果,揭示出结构体系三部分间的相互作用影响和内在联系,研究了地基沉降和基底反力的空间分布,以及基础和上部结构的内力重分布规律,为改进实际结构设计的安全、经济性提供依据.     

超高层筒中筒结构桩筏基础共同作用现场实测与数值分析

通过对陕西省邮政电信网管中心大楼桩筏基础的沉降观测及反力的部分现场实测结果的分析,利用大型有限元软件ANSYS ,地基土采用弹塑性本构关系,筏板采用中厚板理论,建立了超高层筒中筒结构、桩筏基础和地基土的三维有限元模型,进行了三者在竖向荷载作用下共同作用的非线性数值分析,对黄土地区超高层建筑桩筏基础的沉降、受力和桩土分担比进行了探讨。分析表明:基础沉降、桩土荷载分担比等实测结果与数值分析吻合较好,在黄土地区建设超高层建筑采用超长灌注桩对于减小基础沉降有显著效果;筒体结构对基础刚度贡献的影响范围约为8层;筏板内力分布复杂,与上部结构形式和布桩方式等因素密切相关,且筏板悬挑端部弯矩很大。     

高层建筑地基基础概念设计的思考

基于高层建筑箱、筏、桩筏基础变形、反力等实测资料的分析指出,按传统理念设计的箱基、筏基、桩筏基础有两个缺陷:一是呈现明显的碟形沉降引起上部结构的较大次应力;二是基底马鞍形反力分布导致基础板或承台冲剪力和弯矩显著增大。为使差异沉降和箱、筏承台的内力减至最小并改善上部结构受力性状,提出变刚度调平概念设计。对于框筒、框剪结构,应强化核心筒区的桩土刚度(调整桩长、桩径或桩数),相对弱化外围刚度;对于主裙连体建筑,应强化主体,弱化裙房(采用天然地基、复合地基和疏短桩基);对于箱、筏基础,可局部强化核心筒区(采用桩基或刚性桩复合地基)。对于上述变刚度调平概念设计,进行上部结构—基础—桩—土共同作用分析,进一步优化布桩和承台配筋。通过大比例现场模型试验对上述优化设计理念进行了验证,并应用于10余项工程,取得了良好的技术经济效果。     

生态复合墙结构桩筏基础优化设计分析

为了研究生态复合墙结构在地基基础与结构相互作用时桩筏基础的优化设计方法,建立生态复合墙-剪力墙混合结构和纯剪力墙结构在相互作用条件下的数值计算模型,计算了结构及地基基础的内力及变形。结合计算结果,分析了相互作用对桩筏基础、地基的应力、应变等的分布规律的影响,并将两种结构计算结果对比分析,研究了筏板厚度、混凝土强度、桩长、桩径等因素的变化对上部结构、桩筏基础的应力、应变及桩顶反力、桩筏荷载分担比等的影响,为生态复合墙结构桩筏基础基于地基-基础-结构相互作用的优化设计提供了参考。