摘要：在实际工程结构设计中，框架结构内计算和配筋经常只建立上部结构框架模型，将地基基础简化成刚性约束，这种方法忽略了地基基础的变形和位移对上部结构的影响，由此计算得到的框架结构和基础的内力位移与实际情况具有一定的差距，并且导致工程投资的增加。国内外大量研究表明，在地震作用下框架结构的基础在一定的情况下会产生相应的位移和转动，上部结构将由此发生相应的变形。另外，地基基础的形式和埋深对框架结构进行动力特性计算也具有一定的影响。本文利用基于有限元技术的MIDAS GTS NX 软件对包括地基基础的框架结构以及不包括地基基础的框架结构进行动力时程分析。此外，本文对土层弹性模量对框架结构动力特性的影响开展了研究。
关键词：地基基础；框架结构；动力特性；影响
1模型概况
上部结构为 15 层钢筋混凝土框架结构，层高3.9 m，柱子截面尺寸为 800 mm×800 mm，软件模型采用梁单元类型。下开间均为3900 mm，左进分别为 6000 mm，2700 mm，6000mm。梁截面尺寸为 400 mm× 800 mm，软件模型采用梁单元类型。楼板厚度为 100 mm，采用板单元类型。混凝土强度等级均为 C30，基础为柱下独立基础和联合基础，尺寸分别为 3.6 m×3.6 m，3.4m×6.0 m，基础埋深2.0 m。地基土层分别为填土、粘土、风化土、风化岩，模型均采用实体单元类型。动力线性时程分析采用直接积分法。地震波为1971，San Fernando 8244 Orion Blvd.，180 º。
2 地基基础参与分析
2.1 计算模型
（1）网格划分：三维实体采用混合网格划分方法，是将以六面体为中心与四面体和五面体组合生成单元的方式，这种网格划分方法是根据模型各部位的特点进行网格划分。在进行网格划分之前为了保证不同单元类型之间自由度相互匹配，需要利用到软件提供的自动印刻功能，保证柱子底部与地面土层、基础形成节点耦合。另外框架结构与地基基础需要通过布尔运算建立共享面以此来协同相互之间运动。（2）约束条件：上部结构单独分析模型是在首层柱底采用固定约束。而整体分析模型是采用自由场边界。在进行动力时程分析时，整体分析模型的场地边界采用软件中的自由场功能进行模拟，场地底部添加固定约束。边界采用自由场是为了防止地震波在土体产生反射的后果，以导致与实际情况产生差距。这种边界与我们经常用到的粘弹性边界不一样，粘弹性边界是特定的弹簧与阻尼器组成的，阻尼器的参与会导致地震波输入位置发生改变，而与实际情况下产生差距。
图 1 两种模型各楼层位移
2.2 对比分析
（1）动力时程分析中首先进行特征值分析计算，振型数均为 15，两种模型周期整体趋势大致相同，但整体分析模型各振型周期均明显比上部结构模型的周期要大。这主要是两种模型参与的质量和刚度不同，整体分析模型中因为有土层的考虑，同时土层的加入使得整体的刚度降低。另外整体分析模型模态有效质量最大的两个振型为第七，八振型，周期分别为 0.533 s，0.531 s。而上部结构单独模型模态有效质量最大的两个振型为第一，二振型，周期分别为 1.925 s，1.628 s。这说明土层和基础的参与导致结构的主要变形或者破坏可能会由低振型的影响转为高振型。（2）整体分析时顶层绝对位移最大值为112.619 mm，而上部结构单独建模分析时顶层最大位移值为 143.334 mm，与前者相比相差 27%，各楼层位移值如图 1。两种工况下结构变形有明显的不同，整体分析时，首层却出现位移最大值。这是由于地基基础参与由于刚度原因导致出现薄弱层，而引起最大值。地基基础参与分析时，土层具有一定的缓冲作用，地震波从场地土底部约束传到上部结构时，柔性地层能够消耗一定的能量，导致上部结构的部分位置位移变小。上部结构单独分析时，由于首层柱底设有固定支座，地震波是从底部约束传到上部结构，缩短了震源与结构的距离，因此增大了上部结构的位移。一定程度上不考虑地基基础模型时会造成材料的浪费，经济费用增大。
3 场地土影响
为了了解场地土刚度对结构的影响，现将各土层的弹性模量增加 2×10³ kPa、4×10³ kPa、1×10 4 kPa、1×10 5 kPa、5×10 5 kPa、1×10 6kPa、9×10 9 kPa（增加量是根据计算结果显著性而选取的）分别得到各自的周期，位移及内力。（1）随着土层的弹性模量的增加，各振型周期在逐渐减小。当我们逐渐增大土体的弹性模量时，会发现模态有效质量系数最大的两个振型从高振型慢慢变成低振型，当弹性模量增大到一定值时模态有效质量系数最大的两个振型就保持在第一，二振型上不变。这说明对于本模型当土体弹性模量的平均值在 176.25 MPa（工况为整体分析模型 +4 所对应土层弹性模量平均值）以下时主要变形和破坏由高振型控制，当超过该值时就主要由一二振型影响。这是由于加入了地基基础分析，土层弹性模量较小时即底部刚度相对较小对上部约束及相互作用影响变弱。另外在整体分析时土层基础的参与增加了结构模型的复杂度，从而结构处于非规则型导致高振型处于主导地位。（2）底层一共 28 根柱，分别编号为 1 到28。图 2为每次增加土层弹性模量得出底层每根柱底部节点剪力值，从图中可以看出工况为整体分析模型 +5，、+6、+7 三种情况下柱子剪力的曲线形状与上部结构单独分析时几乎相同，而另外几种工况形状波动差异相对大一些。当弹性模量增加到一定程度时，剪力大小变化趋于稳定，各种工况下内力值大小相差波动更小，更能清楚看出在工况为整体分析模型 +4 以前，底部剪力呈上升趋势，超过该工况后呈下降趋势，慢慢接近上部结构单独分析时的剪力值。其中，工况为整体分析模型 +4 时，8 号柱在上部结构单独分析时剪力值比考虑土层与基础时减少了约74%，差异最大。且分析结果逐渐接近上部结构单独分析时的数据。但一些地区土层平均弹性模量达不到该值，所以如果将地基基础用固定约束代替，一定程度上不符合实际的情况。当改变土层弹性模量时对底层柱剪力影响很大，当土层平均弹性模量处于临界值以前差异是越来越大，过了临界值差异慢慢减小。
图 2各种弹性模量增量下底层柱底部节点 Y 方向剪力
4结论
对于本结构模型，上部结构单独分析时第一振型周期与有地基基础参与时第一振型周期相差 43%。地基基础的参与导致楼层位移最大值不一定出现在顶层，但随着地基土弹性模量增大最大值逐渐向上转移。
参考文献：
[1]范锡盛，王跃.建筑工程事故分析及处理实例应用手册[M].中国建筑工业出版社.2002
[2]刘畅，郑刚.地基不均匀沉降对上部结构影响的弹性支承分析法[J].建筑结构学报.2004
[3]吴乃鸣，刘永钱.住宅地基基础沉降原因和预防.建筑与预算[J].2004
[4]王磊.房屋建筑的不均匀沉降与整治[J].铁道建筑.2003
论文作者:杨珊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/18
标签：弹性模量论文; 土层论文; 模型论文; 结构论文; 位移论文; 剪力论文; 地基基础论文; 《基层建设》2018年第1期论文;