论文题目: 高层建筑考虑土—桩—结构相互作用的静动力研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 结构工程
作者: 张俊发
导师: 赵鸿铁,张保印
关键词: 简中筒结构,相互作用,有限元,停止降水,等效复合体模型,动力特性,地震反应分析
文献来源: 西安建筑科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 高层建筑结构体系复杂、体量庞大、重量巨大,如建造于软土或深厚十层地基之上,再沿用传统的刚性基础假定,不考虑上下部的相互作用影响则不甚合理,会和实际情况有较大的出入。上部结构、基础同地基是一个统一的有机整体,三者相互联系、相互影响。静力相互作用需合理地考虑地基的柔度影响,而动力相互作用除此之外,还需考虑地基的无限性、质量、阻尼等因素的影响。近些年来,超高层建筑迅速发展,高度不断增加,类型愈加丰富,结构体系更加多样。相互作用问题愈显突出。上下部相互作用已是许多重大工程中一个不可回避的关键科学问题。 对高层建筑、基础与地基相互工作现场测试是主要的研究手段之一。目前国内对相互作用进行的现场测试还不多。而在黄土地区相互作用的现场测试是空白,作者及其合作者对西安地区的一座超高层建筑一陕西省邮政电信网管中心大楼进行静动力相互作用的现场测试填补了这个空白。 有限元法是目前上下部相互作用研究中最有效的数值计算方法,用其分析时,需要离散的区域常常很大,如果将桩和土体分别划分单元,所需要的单元数量巨大,常常会因受到计算机软件或硬件的限制,使分析难以进行。因此必须对一些基本问题进行深入研究,认识受力特性与机理,正确地抓住问题的本质,简化分析方法,使该方法能充分把握和体现问题的主要特性,进而建立基于有限元分析的宏观模型。提高有限元用于上下部相互作用分析时的模型化能力与可操作性。开展这些工作是本文主要内容之一。 本文以实际工程项目—陕西省邮政电信网管中心大楼为背景,进行静动力相互作用的现场测试;在对单、群桩受力与变形进行深入研究的基础上,将群桩基础视为复合材料,建立了有效的宏观分析模型,并基于ANSYS进行了计入相互作用情况下结构的静力和动力分析研究。本文主要研究内容及结论如下: (1) 建立地基基础模型,对单、群桩进行有限元弹塑性模拟,并结合相关工程的试桩结果,深入地分析了单、群桩的受力机理和变形规律。为简化计算和等效处理奠定了基础: (2) 将群桩基础中桩—土体系作等效连续化处理,视为一种复合材料,本文首次建立了桩土复合体材料的本构关系和等效复合体模型。结果表明等效复合体模型很好地反映出群桩基础的传力机理,这样大大降低了有限元分析的难度,为利用大型通用有限元分析软件分析超高层建筑的上下部相互作
论文目录:
1 绪论
1.1 高层建筑设计方法发展的三个阶段
1.2 上部结构、基础与地基相互作用研究概述
1.2.1 上部结构与地基基础相互作用的概念
1.2.2 建筑设计中应用相互作用理论的意义和途径
1.2.3 相互作用理论的发展历史及研究现状
1.2.4 上部结构—基础—地基相互作用分析的主要研究成果
1.2.5 相互作用研究中存在的问题
1.3 本文的研究目的及内容
2 工程概况及其原位测试情况简介
2.1 工程概况
2.2 工程地质概况
2.3 原位测试情况介绍
2.3.1 原位测试的内容
2.3.2 测试元件的工作原理及埋设布置
2.3.3 原位测试的主要结果
3 单、群桩的分析方法及其工作性状研究
3.1 桩—土相互作用的分析方法简介
3.1.1 竖向荷载作用下单桩与土体的相互作用
3.1.2 水平向荷载作用下单桩与土体的相互作用
3.1.3 竖向荷载作用下群桩与土体的相互作用
3.1.4 水平向荷载作用下群桩与土体的相互作用
3.2 单桩的有限元计算模型研究
3.2.1 有限元用于桩-土相互作用分析的技术优势
3.2.2 桩采用块单元模型与梁单元模型的计算结果对比
3.2.3 有限元计算与试桩结果对比
3.3 单、群桩工作性状分析
3.3.1 黄土地区地基中超长单桩的工作性态
3.3.2 黄土地区地基满堂群桩的工作性态
3.4 本文计算中关于材料均处于弹性范围假定的说明
4 非荷载因素对群桩基础的受力影响分析
4.1 问题的提出
4.2 陕西省电信网管中心实测资料
4.3 孔隙水压力作用的等效处理
4.3.1 以总应力表示的应力分析
4.3.2 以有效应力表示的应力分析
4.3.3 增量形式的应力分析
4.3.3 几点说明
4.4 停止降水对群桩—筏板基础的受力影响分析
4.4.1 有限元离散模型
4.4.2 停止降水引起土体内孔隙水压力变化差值的确定
4.4.3 有限元仿真结果及分析
4.5 筏板混凝土收缩对群桩—筏板基础的受力影响分析
4.5.1 计算模型及基本计算数据
4.5.2 数值模拟结果与分析
4.6 对试验现象的分析解释和对埋设桩头钢筋计的建议
4.7 本章小结
5 满堂群桩基础的等效复合体模型研究
5.1 正交各向异性材料的本构关系
5.2 满堂群桩基础的等效复合体模型的弹性常数
5.3 采用等效复合体模型的有限元计算结果分析
5.4 满堂群桩基础的“含桩率”对沉降的影响分析
5.5 小结
6 竖向静力作用下上下部结构相互作用分析
6.1 计算模型
6.2 竖向静力荷载作用下计算结果
6.2.1 上部结构构件的内力结果
6.2.2 不同深度处桩群截面上的等效压应力结果
6.2.3 沉降结果分析
6.3 筏板厚度的影响分析
6.4 地基土层弹性模量的影响分析
6.5 桩端下卧土层弹性模量的影响
6.6 含桩率的影响
6.7 桩长的影响
6.8 小结
7 考虑相互作用对结构动力特性的影响分析
7.1 结构动力特性分析概述
7.2 ANSYS模态分析简介
7.3 模态分析结果对比
8 陕西省电信网管中心大楼动力特性测试
8.1 建筑物动力特性测试的目的
8.2 测试方法
8.2.1 建筑物脉动试验的基本假设
8.2.2 频率的确定
8.2.3 确定振型的方法及其近似性
8.3 陕西省电信网管中心大楼动力特性实测及分析
8.3.1 测试仪器
8.3.2 测试时间
8.3.3 测试批次与测点安排
8.3.4 测试记录与分析
8.3.5 与其它超高层、高层建筑实测结果比较
8.3.6 与设计计算结果比较
9 考虑相互作用时地震反应分析的几点思考
9.1 概述
9.2 动力相互作用研究现状及对地震反应的影响
9.2.1 动力相互作用研究现状
9.2.2 动力相互作用对地震反应的影响
9.2.3 土-结构动力相互作用的主要研究方法简介
9.3 关于地震动输入的考虑
9.4 关于地震反应分析方法的考虑
10 结论与展望
10.1 本文的研究成果及结论
10.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间已发表的主要成果
致谢
发布时间: 2005-07-19
参考文献
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