框架结构-筏板基础共同作用下的受力特性论文_蒋云彬

摘要：通过MIDAS/GEN有限元软件模拟了框架结构一筏板基础一地基的共同作用情况，并与不考虑共同作用进行对比，分析了考虑共同作用对结构内力、筏板受力变形的影响规律，得出了考虑共同作用时，上部结构端柱呈现出加载、中柱卸载，柱底弯矩显著变化，而筏板基础的应力和沉降都明显减小的结论。

关键词：框架结构；筏板基础；共同作用

目前，在设计建筑结构时，工程界普遍采用的设计方通常是把上部结构、基础和地基隔离开来分别考虑，忽略了三者的相互影响和共同作用。尽管多数设计人员意识到了该问题，但由于缺乏成熟的计算理论和方法，工程中只得套用不成熟的设计方法，致使建筑物的基础造价越来越大，筏式基础就是一典型。随着我国经济技术的快速发展，建筑高度和埋深的不断增加，考虑上部结构-基础-地基共同作用对高层建筑设计的安全性的影响就显得尤为重要。

因此，本文以某10层高钢筋混凝土框架结构为实例，通过MIDAS/GEN有限元软件分析，研究该框架结构在上部结构-基础-地基共同作用下的各部分受力分析，并与常规设计进行对比并为结构-基础-地基共同作用下高层建筑的设计理念提供一定的帮助。

1 模型的建立

1.1工程概况

工程为10层钢筋混凝土框架结构，地上10层，其中首层层高4m，2—10层层高3.3m，地下室一层，层高3m，结构总高度为33.7m。柱截面尺寸为，梁截面尺寸为；筏板基础采用平板式，板厚为0.9m，悬挑长度1m，框架柱，梁采用C30混凝土，弹性模量为，泊松比，混凝土容重为，楼板厚度为100mm，基础筏板采用C35混凝土，场地类型为Ⅱ类，结构抗震等级为二级。建筑结构平面图见图1。

图1 结构平面图

1.1计算模型选择和建立

框架结构柱子和梁采用空间梁单元进行模拟；楼板采用DKT（薄板）单元进行模拟；地下室外墙采用DKQ（厚板）单元模拟；基础筏板采用实体单元模拟。柱子与基础筏板的接触部分采用刚接，基础筏板中的钢筋，采用分离式模型，将钢筋与混凝与视为不同的单元，通过空间梁单元来模拟基础筏板中的钢筋。同时，地基采用winkler地基模型，地基基床系数取为50000 。

2 计算结果及分析

2.1 框架结构的内力分析对比

由于该结构为对称结构，因此，取Z1-Z6柱的底部轴力与弯矩，进行对比分析，表1为框架结构在不考虑共同作用和考虑共同作用情况下各柱底部轴力与弯矩大小。

表1 不考虑/考虑共同作用下各柱底部轴力和弯矩

由表1可以看出，框架结构在不考虑共同作用和考虑共同作用两种情况下，内力分布及大小存在较大差异。两种情况下均为两端柱轴力小于中部柱轴力，且角柱的轴力最小。

共同作用时，各柱底轴力总体的趋势是两边柱与角柱普遍加载，中部柱普遍卸载。角柱Z1在不考虑共同作用情况下，上部框架结构柱底轴力为-1249.6KN；考虑共同作用情况下，上部框架结构柱底轴力为-1539.8KN，Z1为加载状态，加载幅度为23.22％。中柱Z3在不考虑共同作用情况下，上部框架结构柱底轴力为-2704.7KN，考虑共同作用情况下，上部框架结构柱底轴力为-2289.3KN，Z3为卸载状态，卸载幅度为15.36％。Z1的加载幅度明显大于其他加载柱，中柱Z3的卸载幅度明显大于其他卸载柱。造成这种现象的原因是考虑共同作用情况下，筏板基础产生差异沉降，筏板中部沉降大于端部沉降，使结构发生应力重分布，导致框架结构中部柱轴向应力减小，并将减小的轴向应力加载在端部柱，从而造成两端加载、中部卸载的情况。

考虑共同作用的情况下各柱受力状发生了改变，Z1柱底弯矩值由外侧受弯变为内侧；Z2柱底弯矩值由内侧受弯变为外侧在考虑共同作用情况下各柱底弯矩对比不考虑共同作用情况下，Z3、Z5柱底弯矩减小了一半，而Z4、Z6柱底弯矩值增加了差不多一倍，可以得出考虑共同作用后各框架柱弯矩急剧变化的结论，因此在结构设计时，应该重点考虑框架柱弯矩的变化。

2.2 筏板基础的对比分析

2.2.1 内力对比

筏板基础考虑共同作用和不考虑共同作用2种情况下的基础底部第一主应力云图见图2。

（a）不考虑共同作用 （b）考虑共同作用

图2 基础筏板底面应力云图

由图2可以看出，在考虑共同作用情况下，基础筏板中部的应力是要小于不考虑共同作用情况下的，这是因为在共同作用情况下，由于筏板中部与端部的差异沉降，导致中部柱的轴力减小，以及框架结构与筏板基础的变形协调条件，使筏板的受力得到改善，从而使筏板基础的应力大幅度减小。

2.2.2 沉降对比

考虑共同作用的筏板结构必然会受到上部结构刚度的影响，本文采用基础筏板B轴线上的沉降作为对比分析数据。图3为2种情况下筏板基础B轴线上的沉降曲线。

图3 筏板基础B轴线节点沉降图

由图3可知，与不考虑共同作用的情况进行对比，可以看出，考虑共同作用的筏板基础中部的沉降更小而两边的沉降大，考虑共同作用的差异沉降更小。考虑共同作用的中间沉降为2.799 mm，两端沉降为2.480mm，差异沉降为0.319mm；而不考虑共同作用的中间沉降为2.954 mm，两端沉降为2.371 mm，差异沉降为0.583 mm，不考虑共同作用的差异沉降是考虑共同作用的1.8倍。所以考虑共同作用后，框架结构刚度对筏板基础的沉降产生了影响，使筏板的差异沉降缩小。

3 结论

1）考虑共同作用时，上部结构柱底受力存在着明显的差异，两端柱为加载状态，中部柱为卸载状态，而角柱呈现出最大的加载幅度；考虑共同作用时各柱底弯矩成倍增加，在设计时应该特别注意，着重考虑弯矩的变化。

2）考虑共同作用时筏板基础的应力明显比不考虑共同作用时小；而考虑共同作用时筏板基础最大沉降以及沉降差异明显小于不考虑共同作用时。

参考文献：

[1]宰金珉，宰金璋．高层建筑基础分析与设计一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．

[2]叶于政，孙家乐．高层建筑箱型基础和上部结构结构工作机理的初步探讨和采用了弹性杆的简化计算方法，全国第三届土力学地基基础学术会议论文选集[C]，建筑工程出版社，1980

论文作者:蒋云彬

论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期

论文发表时间:2020/4/7

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