考虑结构刚度效应的筏基完全共同作用体系分析

筏板基础作为软土地基上高层结构的一种重要基础形式,在工程实践中得到了广泛应用。合理考虑上部结构、筏板与地基的共同作用效应具有现实意义。然而目前大多数研究仅限于二维分析,在工程设计中所采用的常规方法尚无法考虑共同作用效应。为此,在考虑地基的弹塑性性质与上部结构及筏板的刚度效应的基础上,在对上部结构、筏板基础与地基三者所组成的共同作用体系进行整体三维空间有限元数值分析。分析结果表明:当考虑三维空间效应时,上部结构和筏板基础的刚度对基础自身内力与变形具有显著的影响,并呈现不同的特征与趋势,但是这种影响具有一定的有限性。同时共同作用所引起的次应力效应、荷载分担转移等效应在工程设计中应予以合理地反映。     

罕遇地震作用下考虑接触效应的高层建筑上部结构–桩–土体相互作用的非线性分析

 为更好地研究和预测高层建筑结构在地震尤其是罕遇地震作用下的地震响应,选取经历汶川地震的四川绵竹高层建筑剑南春大酒店为研究对象,利用大型有限元软件ABAQUS建立上部结构–桩–土体三维实体模型,对比结构在刚性地基条件下与土地基条件下的自振特性及上部结构动力响应的区别,得出桩间土体和桩端土体对上部结构动力特性的影响规律,同时考察上部结构非线性、土体非线性和桩–土接触非线性对相互作用体系非线性反应的影响。动力弹塑性时程分析结果与已有震后调查资料对比表明,考虑相互作用效应的高层建筑上部结构抗倒塌能力比传统设计方法更符合实际。本文方法具有很强的实用性,结合大型有限元软件ABAQUS可以较准确分析计算高层建筑上部结构–桩–土体相互作用的强非线性问题,为工程实践提供重要的理论依据。     

成层地基–桩基–结构动力相互作用体系的计算分析

以一个1∶2大比例模型结构–地基的动力相互作用模型试验为基础,结合通用有限元程序MSC.Marc,对成层地基–桩基–结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中采用考虑土非线性特征改进的黏弹性人工边界模拟外部土域,利用考虑动力相互作用中桩土分离、滑移以及桩基提离效应的接触模型反映桩土接触界面特性,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗,土体采用等效线性模型。通过计算分析与试验的比较研究,验证了计算模型和分析方法的合理性,进行了地震动输入下的地震反应分析,为地基–结构动力相互作用的进一步研究奠定了基础。     

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。     

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。     

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。     

桩–土–桩相互作用影响的试验研究

通过大比例尺模型试验、工程实测结果与弹性理论解进行对比,指出弹性理论解夸大了桩–桩、桩–土、土–土相互作用影响,造成沉降计算值偏大和过高估计桩顶反力的不均匀性和筏底地基土反力的不均匀性。据此,建议进行上部结构–基础–桩土共同作用的分析计算时,必须充分估计弹性理论解与真实值的差别,以工程实测和试验数据为基础对弹性理论解进行修正,方可获得较满意的计算结果。     

CFG桩复合地基与钢筋混凝土筏板基础设计

对于高层建筑钢筋混凝土筏板基础设计,通常将弹性地基梁法的计算结果与简化的倒楼盖法计算结果相比较,采用综合取值的设计方法,其核心就是如何提高地基变形计算的精确性。通过对上部结构-筏板基础与地基的共同作用概念及机理的论述和探讨,并在已有实测结果统计分析的基础上,分别对高层建筑CFG桩复合地基和筏板基础的受力和变形原理进行分析,提出CFG桩复合地基与筏板基础设计时,按现有CFG桩复合地基变形计算理论并考虑上部结构-筏板基础-地基共同作用和土层厚度分布影响的CFG桩复合地基变形计算的改进方法。采用该改进方法对某实际工程的CFG桩复合地基变形进行了计算,其计算结果与该工程沉降观测值大小及其分布规律基本一致。     

超深层岩溶地基上高层建筑桩筏基础性能研究

为了研究超深层岩溶地区高层建筑桩筏基础的整体工作性能,本文结合工程实例,采用现场监测和数值模拟的方法对无锡世贸中心主楼下超深层岩溶地基经灌浆处理后桩筏基础受力和变形进行研究。在桩端和筏板上布置相应的监测点,检测桩端应力,筏板内力,以及筏板沉降随上部结构刚度增加时的变化规律,同时,配合有限元模拟溶洞存在对整体结构桩筏基础的影响以及对比灌浆后桩端地基反力的变化。得到桩筏基础在上部结构和岩溶地基等共同作用下受力和变形等相关结论,对于岩溶地基桩筏基础的选型以及地基处理评价具有重要参考价值。     

超高层建筑桩筏基础中桩顶反力时变效应分析

超高层建筑地基-基础-上部结构共同作用体系中,材料、结构及荷载均具有时变性。随着超高层建筑的大量兴建及共同作用研究的不断深入,考虑时间效应的共同作用研究逐渐受到学术界及工程界的重视,并逐步应用到工程实践中。基于地基沉降及上部结构的时变性规律,以时间切片的方法综合考虑时变作用的耦合效应,分析得到超高层建筑共同作用结构系统中桩顶反力的分布及变化情况,同时对水浮力的取值问题进行了讨论。分析结果表明,桩筏基础是弹性体,并验证了变刚度调平设计的正确性与合理性;同时,对于软土地区超高层建筑,地下水浮力不可忽略。     

考虑固结与流变的层状粘弹性地基与上部结构的共同作用

本文求解了层状粘弹性饱和土地基与上部结构共同作用问题。对Biot固结方程引入McNamee位移函数,并进行Laplace-Hankel变换,建立了单层饱和土的初始函数和半空间饱和土的刚度矩阵,得到层状地基的递推矩阵。利用递推矩阵、子结构法、薄板理论、边界条件、变形协调条件可以建立共同作用的基本方程并进行求解。本文通过算例分析验证了本方法的正确性,并分析研究了下卧软弱层对基础沉降和上部结构内力的影响。     

上部结构与桩筏基础共同作用的非线性分析

通过对上部结构与桩筏基础的共同作用进行非线性分析,可以来优化基础设计。本文建立了一种上部结构与桩筏基础共同作用的非线性分析方法,编制了分析程序。通过实例分析,研究其工作机理,探讨其合理的布桩方式和优化设计方法。     

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。     

高层建筑应用长-短桩复合地基的现场试验研究

对采用带垫层的长-短桩复合地基的1幢14层小高层建筑,在建造和使用过程中观测了长桩、短桩和地基土的受力状况以及基础沉降的变化,并由此分析了长-短桩复合地基中的桩-土荷载分担特性、桩-土共同作用机理和荷载-沉降特性,所得结论可为进一步的理论研究及工程设计提供有益的参考依据。     

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     

Comparative study of load distribution ratio of various piled raft foundations based on coupled stiffness matrix

Load distribution ratio of piled raft foundation was investigated based on an interactive foundation analytical method that considers the coupling effect between the stiffness of the superstructure, the piled raft, and the soil. Series of numerical analysis was performed to verify the proposed analytical routine in comparison with various methods and field measurements. Through the comparative studies between various piled rafts with different aspects, it was found that the proposed analytical method derived accurate results in structural response compared with actual field data, in settlement, load distribution ratio, and raft bending moment. And it was also found that the proposed analytical method was capable of considering interaction between superstructure and foundation in predicting the behavior of building structures. As a result, it was found that in most cases, the pile in the piled raft foundation supports a majority portion of the structural load. However, for cases where the length of the pile was short and acts as a short column, the load distribution ratio between raft and pile may be overturned and shows significantly different behavior and load distribution ratio.     

高层建筑上部结构与箱基和砂卵石地基共同作用的数值模拟

结合现场实测结果分析了高层建筑上部结构与箱基和砂卵石地基共同作用机理 ,对三者共同作用的关键问题———基底反力的求解 ,首次在结构连续化方法的基础上 ,运用加权残数法求出了基底反力的大小及分布。还运用所编程序定量分析了影响基底反力大小及分布的主要因素。     

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。     

大间距桩筏基础地震响应离心模型试验研究

针对饱和软土地基中大间距摩擦型桩筏基础抗震问题,采用离心振动台开展了桩筏基础地震响应的试验研究。为模拟实际软土场地浅部超固结黏土和深部正常固结黏土的地层特征,试验在高岭土土样表面预铺砂层,然后在50g离心加速度下进行固结。上部结构简化为质点和杆构件,基础形式包括桩头刚接和桩头自由2种类型的大间距桩筏基础模型。试验分析了模型的加速度和位移、土层内部孔隙水压力以及桩身应变等响应。试验结果表明:在软土场地自振频率范围内,结构–基础–地基三者相互作用十分明显,基础与结构加速度放大系数高于其它频率范围;桩头刚接与桩头自由的基础在地震时均产生了较周围地表土体更大的竖向沉降,但震后较长时间内基础与地表沉降速率基本一致;地震结束时,桩头刚接的上部结构侧向位移与基础倾斜值均较桩头自由时减少一半以上,但上部结构加速度放大作用更加明显;桩筏基础承载能力因土体软化行为有所降低,震后部分上部荷载由群桩转移到筏板,但桩筏荷载分担比例总体变化不大。试验揭示了软土震陷时桩基的变形控制机理,为软土地基减沉桩基础的抗震设计提供参考。