多层建筑浅基沉降计算的三维非线性有限元法研究

论文摘要

房屋建筑都是由上部结构、基础和地基三部分所组成。目前，工程设计人员已广泛认识到应将这三者作为一个整体，按共同作用理论来进行分析计算，但长期以来，由于计算手段的限制和共同作用理论分析计算方法尚不完善，在实际工程设计中往往难以或无法实现考虑三者的共同作用，而通常把三者分隔开来，单独进行设计计算，未考虑三者各自刚度对其相互作用的影响及三者的变形协调条件，其结果可能导致建筑基础出现较大的不均匀沉降，从而使上部结构产生较大的次应力，是造成不少房屋出现裂缝甚至危及安全的主要原因之一。为此，在当今计算机和有限元等数值计算技术高速发展的背景下，本文采用三维非线性有限元法对多层建筑的沉降和变形进行了数值计算分析研究，该方法的优点是能对上部结构、基础和地基三者共同作用进行整体分析，揭示基础各处可能产生的沉降量大小及不均匀沉降变形情况、上部结构可能产生的次应力，便于调整基础的设计尺寸或对上部结构采取相应的结构措施，以使基础的沉降均匀或避免不均匀沉降造成的危害。本文工作对于促进有限元方法在房屋建筑沉降计算中的应用具有较大的理论和现实意义，其主要研究内容如下：（1）对前人考虑上部结构、基础和地基相互作用的研究情况和部分已有分析计算方法进行简要介绍，重点介绍了目前被广泛采用的子结构法。（2）采用大型非线性有限元软件ABAQUS建立了某天然地基条形基础的3层砌体结构房屋的三维有限元模型，采用能较好描述硬化土本构关系的邓肯-张非线性弹性模型，利用在该软件平台上开发的邓肯-张模型用户材料子程序进行数值模拟。同时假设将地基土视为线弹性模型和莫尔-库仑理想弹塑性模型进行了类似分析，以之与邓肯-张模型的分析结果进行比较。获得了不同地基模型下三者的沉降变形规律及上部结构内力的分布规律，同时根据对最大主应力的分析得到了墙体可能产生受拉破坏的区域等，提出了减小不均匀沉降的措施。（3）对采用现行规范设计的某天然地基扩展基础的3层框架结构房屋进行了的三维有限元数值模拟分析研究。通过对程序后处理结果的提取，获得了框架结构各梁、柱的内力，根据各处沉降量的大小，重新调整基础的设计尺寸，再进行数值模拟分析最终能使建筑物各处的沉降均匀，从而使浅基的设计更加科学合理，减小这类建筑因传统设计易导致过大的不均匀沉降而引起墙体或梁、柱开裂等问题，提高多层建筑天然地基浅基础的设计计算水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 上部结构-基础-地基相互作用体系分析方法
• 2.1 子结构法
• 2.2 地基土的本构模型
• 2.2.1 线弹性地基模型
• 2.2.2 非线性弹性地基模型
• 2.2.3 弹塑性地基模型
• 2.2.4 流变性地基模型
• 2.2.5 其它地基模型
• 2.3 基础的分析处理
• 2.4 上部结构、基础和地基三者相互作用平衡方程
• 2.5 本章小结
• 第三章 砌体结构浅基础沉降的非线性有限元分析
• 3.1 有限元单元法简介
• 3.1.1 有限元基本思想
• 3.1.2 有限元发展概况
• 3.2 ABAQUS 简介
• 3.3 我校超算中心简介
• 3.4 模型建立过程需要注意的几个问题
• 3.5 某 3 层砌体结构房屋的三维有限元分析
• 3.5.1 初始地应力平衡
• 3.5.2 沉降分析
• 3.5.3 上部结构内力分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 框架结构浅基础沉降的非线性有限元分析
• 4.1 框架结构模型数据及模型建立
• 4.1.1 该框架结构简介
• 4.1.2 基础的确定
• 4.2 考虑上下部结构相互作用三维有限元分析
• 4.2.1 线弹性地基模型下有限元分析
• 4.2.2 莫尔-库仑地基模型下有限元分析
• 4.2.3 邓肯-张地基模型下有限元分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历