热点职称论文：高层建筑上部结构与基础和地基共同作用研究__58期

所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:116

副标题#e#摘要：介绍了上部结构与基础和地基共同作用的整体分析概念，逐一阐述了上部结构与基础和地基共同作用的研究历程、研究方法和研究成果，最后对上部结构与基础和地基共同作用的研究前景进行了展望。
　　关键词：上部结构，地基，共同作用
　　1、上部结构与基础和地基共同作用的整体分析概念
　　1.1初等方法和常规方法
　　在结构设计当中，一类是把上部结构的刚度视为无穷大，从而把基础与上部结构连接的节点看作是不动铰支点，在基础底部接触压力为直线分布的假定下计算基础内力，俗称为倒梁法或倒楼盖法。对桩筏和桩箱基础，则将桩顶视为不动铰支点，来分析上部结构荷载作用下的梁和板，因此实质上仍然是把上部结构视为绝对刚性。这种完全不考虑上部结构与基础和地基三者之间的共同作用的方法，在计算手段不发达的时期几乎是唯一可行的方法，故可称之为初等方法。另一类则先视基础的刚度为无限大，求出上部结构在基础顶面处的固端反力，再把该反力作用于基础，在考虑基础与地基共同作用的条件下分析基础的内力，但却完全忽视上部结构的存在，这是一种不完全的共同作用分析方法。鉴于上部结构的复杂性和计算手段的有限性，这种方法至今仍是一种广为采用的主要分析方法，可称之为常规方法。
　　1.2共同作用方法
　　初等方法和常规方法的不足之处是明显的。即结构形式不同，上部结构的刚度差别就很大。考虑到实际工程，上部结构的刚度又是逐步形成的，因此，简单地把上部结构的刚度都视为无穷大是不合理的。此外，上部结构总有一定的刚度，特别是对高层建筑而言，忽略其刚度贡献所得到的结果，与整个体系实际上发生的共同作用过程相差甚远，因此，应将上部结构、基础和地基三者视为一个完整的体系来进行共同作用分析，这就是完全的共同作用分析(亦即整体分析)方法，简称共同作用方法。
　　2、上部结构与基础和地基共同作用的研究历程
　　2.1初始阶段
　　对上部结构与基础和地基共同作用问题，自从1947年梅耶霍夫提出了支撑在独立基础上的平面框架结构共同作用的概念以来，各国学者先后提出了许多不同的分析方法。1956年Chemecki用荷载传递系数法分析了上部结构刚度对独立基础沉降的影响。当跨入20世纪60年代，萨玛提出了一个考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。这段时期内共同作用的分析呈现两个特点：1)由于计算工具的限制，一般都简化为平面问题，并把地基假定为简单的模型，如文克尔弹性地基模型;2)直观而明确地考虑上部结构对地基刚度的贡献，力图把上部结构折算成刚度加进基础刚度中，从而进行基础内力和变形的计算。
　　2.2有限元法阶段
　　随着有限元理论和计算机的发展，出现了新的比较精确的计算方法，促使了人们在共同作用问题中的研究进一步深入。首先O.C.ZeikeiwiczandY.K.Cheung应用有限元进行了地基基础的共同作用研究，开创了这个课题研究工作的新方法。1977年，King用有限元法对半无限弹性地基上筏基与框架的二维和三维问题进行了分析。1983年，同济大学宰金珉用有限元—有限层法分析了高层剪力墙结构与地基共同作用的三维问题[1]。1985年董衍蕃采用有限元编制了有关筒体结构与地基基础协同工作的分析程序，此后，朱百里、Jardine、罗立平等分别讨论了土的非线性对共同作用问题的影响。
　　2.3子结构法阶段
　　在用有限元法进行研究时，由于有限元划分网格而形成数目庞大的单元和结点，造成对上部结构、基础和地基共同作用的研究较为困难，因此提出了子结构的分析方法，为哈达丁在1971年首次利用子结构分析方法研究地基基础与上部结构的共同作用打下了基础。由于子结构方法能明确地表达上部结构刚度和荷载的影响效应，以刚度及荷载的凝聚来反映上部对下部的作用，因此特别适用于高#p#副标题#e#层建筑结构体系的受力问题。1983年，同济大学宰金珉利用多重子结构法分析了高层剪力墙结构与地基共同作用的三维问题[1]。子结构方法使方程组的容量大为减少，从而使有限元方法在共同作用问题的应用范围进一步扩展。
　　2.4有限元和边界元联合阶段
　　随着计算技术的发展，边界元方法得到了发展和应用。地基和基础的分析，可以利用边界元方法得到有效的计算。因此，在上部结构、基础和地基的共同作用分析过程中，把有限元和边界元联合起来运用，将充分发挥各自的优点，使计算问题得到有效的处理[2]。1987年项玉寅对地基采用边界元方法，把基础看成上部结构的一部分，由交界面上的力平衡和位移协调建立耦合方程求解。研究表明，这种方法具有内存需求少、运算速度快和计算精度高的特点。1996年陈有华等对上部结构采用有限元进行非线性分析，地基采用边界元分析，应用有限元和边界元在交界面上耦合进行共同作用计算。近年来有限元和边界元都得到了长足的发展。
　　3、上部结构与基础和地基共同作用的研究方法
　　3.1有限元方法
　　即对地基进行单元划分利用成熟的有限元技术进行计算许多学者曾进行过这方面的研究，如O.C.Zeinkeiwica和Y.K.Cheng首先利用此方法进行了共同作用的研究，段继伟等曾应用此方法进行板与层状地基的共同作用研究。由于地基是一个半无限体，用有限元法进行计算只能选取地基中的某一部分进行单元离散，在边界上施加人为的边界条件，但取多大的区域范围进行计算才能取得较好的精度一直没有明确的答案。为了解决这个矛盾，在有限元基础上P.Bettles和O.C.Zeinkeiwica提出了无限元的概念，从而较好地解决了无限区域和单元分割之间的矛盾。但此方法要求计算机容量大，且计算费用昂贵。
　　3.2解析法
　　即利用弹性力学中的解答进行共同作用分析。如在片筏基础的共同作用分析中利用Boussineq解答形成地基柔度矩阵;在桩土共同作用分析中应用Mindlin解答计算桩土体系的刚度矩阵等。由于这种方法利用了弹性力学中的解答，因此不必对地基进行离散，便于编制程序并且所需机时较少，能在实际工程当中运用。
　　3.3边界元法
　　它是近年来迅速发展的一种新的数值分析方法。与有限元相比它只在物体的边界上进行有限元离散而不用在物体内部进行单元划分，这就极大地减少了节点数目，加快了运算速度，并且此种方法非常适用于无限体与半无限体这一类问题。由于边界元法对于非匀质体和非弹性问题的分析较为困难，因此目前国内外在共同作用问题的研究中对于边界元的应用大多集中于文克尔地基模型、双参数地基模型和弹性半空间模型上。
　　4、上部结构与基础和地基共同作用的研究成果
　　4.1基础刚度的影响
　　在上部结构刚度与地基条件不变的情况下，基础内力随其刚度的增大而增大，相对挠曲则随之减少;相反，上部结构中的次应力却随基础刚度减小而明显增大。因为基础沉降差(亦即相对挠曲)增加，必然在上部结构中引起更大的次应力。从减少基础内力出发，宜减小基础刚度;就减小上部结构次应力而言，宜增加基础刚度。因此，基础方案应视结构类型作综合考虑。
　　4.2上部结构刚度的影响
　　在地基、基础和荷载条件不变的情况下，增加上部结构的刚度会减少基础的相对挠曲和内力，但同时导致上部结构自身内力增加，也就是说，上部结构对减少基础内力的贡献是以在自身中产生不容忽视的次应力为代价的。还应注意的是上部结构的刚度贡献并不是无限的。
　　4.3地基刚度的影响
　　当地基变得软弱(主要反映在变形模量E0或基床系数k减小)时，基础内力和相对挠曲增加;相反，当地基刚度增加至相当大的程度时，上部结构的刚度对基础内力没有影响，因为这时沉降亦即同时不均匀沉降已很小，不需要上部结构来减少不均匀沉降。当然#p#副标题#e#，这时上部结构的次应力也可忽略。由此可知，考虑共同作用的分析，对于软弱地基上的结构物要比坚硬地基上的结构物具有更重要的意义。
　　5、结语
　　高层建筑的上部结构具有较大的刚度，并且和基础与地基三者同处于一个共同作用的完整体系之中，随着大量高层建筑的出现和计算机与计算技术的迅速发展，高层建筑上部结构与基础和地基共同作用研究将会越来越深入。
　　参考文献：
　　[1]宰金珉，宰金璋.高层建筑基础分析与设计———土与结构物共
　　同作用的理论与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.16217.
　　[2]陈卓.上部结构、筏板、地基共同作用的面向对象有限元分析[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2004.
　　[3]邱畅.高层建筑片筏及桩筏基础与层状地基相互作用分析
　　[D].长沙：湖南大学硕士学位论文，2001.