建筑工程论文发表地基基础与钢框架结构分析

　　[摘要] 建筑结构抗震设计中的地震反应分析多采用刚性地基假定，计算模型仅考虑上部结构而忽略了土—结构的相互作用。由于土介质的存在对上部结构的动力特性具有十分重要的影响，其地震响应将发生显著变化，因此，研究建筑结构地震反应分析时考虑土—结构的相互作用十分必要。本文考虑钢框架结构与筏板—土之间相互作用的影响，并建立相应的多质点力学模型和运动方程。

　　[关键词] 钢框架,土-结构相互作用,非线性时程分析,接触单元

　　一.引言

　　就传统结构抗震分析而言，通常假定地基为刚性，即忽略地基土的变形，建筑物的振动性能完全取决于上部结构。但实际上，地基土自身存在一定的柔性，当上部结构的地震作用通过基础而反馈给地基时,地基将产生一定的局部变形,从而引起结构的移动或摆动，在整个振动过程中使结构体系的动力特性产生一定的变化[1]。此时，上部结构与土的相互作用是不可忽视的。另外，在地震过程中有相当部分的地震能量通过地基变形逸散，从而减小了要在上部结构振动过程中耗散的地震能量。而刚性地基假定忽略了土体的辐射耗能和材料阻尼耗能，体系阻尼会由于上部结构能量向地基逸散而加大，这样会使计算结果与实际结构的动力反应存在较大差异，因此研究土—结构动力相互作用对上部结构动力性能的影响显得十分必要[2]。随着计算机和有限元技术的发展, 将上部结构与地基基础视为一体，运用相互作用的分析方法也在不断完善，同时为解决这一复杂问题的理论研究和工程实践提供了更为广阔的发展空间。

　　本文采用通用有限元软件ANSYS10.0，考虑竖向荷载和水平地震荷载的同时作用，建立一12层钢框架结构—筏板基础—单一均质地基土体系相互作用的有限元模型，采用D—P材料及面—面接触单元来模拟土体的非线性。并与常规设计方法的刚性地基基础假定情况下的结构计算结果进行比较，为实际工程设计提供参考和依据。

　　二.分析模型

　　1.地基模型

　　土体采用Drucker-Prager理想弹塑性模型模拟，能够较为准确的反映地基土的非线性。由DP材料屈服条件可见，除弹性模量，泊松比，密度三个参数外，还需要土体粘聚力，内摩擦角等参数[4]。但由于Drucker-Prager模型为理想弹塑性模型，屈服面并不随材料的逐渐屈服而改变，因此没有硬化准则，其塑性行为被假定为理想弹塑性。其应力-应变曲线如图1所示。

　　2.上部模型

　　常遇地震作用下，当土体进入塑性阶段时，由于上部结构刚度比土体刚度大很多，所以仍视为处在弹性变形阶段。基于这种假设，本文模型中上部钢框架结构按线弹性材料考虑，可建立多质点模型来模拟。

　　根据上述假设，建立土—结构相互作用力学计算模型如图2所示。

　　三.建立运动方程

　　按上述力学模型，可以建立该体系在地震作用下任一时刻的动力平衡方程:

　　式中 g(t)为地震加速度，I为单位向量，M为整体结构的质量矩阵，上部结构采用堆聚质量矩阵形式。把每层的质量集中在楼层处，只考虑平移运动，即只考虑与平移运动相应的质量。C为整体模型的阻尼矩阵，矩阵展开形式如下：

　　由于结构所受载荷与时间密切相关，使得阻尼的作用显得至关重要。阻尼能使振动衰减或使振动能量耗散，对动力反应具有非常明显的影响。因此，上部结构采用Rayleigh阻尼形式，即：其中 为比例常数，可按下式计算：式中ωi、ωj及ξi、ξj分别为任意两个振型的频率和阻尼比， 可根据不同结构而取不同的值。K为刚度矩阵，展开为：m1～ mn、mb分别为各楼层的质量和基础的质量;c1～ cn、cb分别为上部结构和地基的阻尼(等效阻尼);k1～ kn、kb分别为上部结构和地基的水平刚度(等效刚度)。

　　四.结语

　　本文对钢框架结构-筏基-地基土组成的高层建筑结构体系在竖向和水平荷载组合作用下的工作性能进行了数值模拟分析和研究,得到结论如下:

　　(l)考虑相互作用后,结构的动力特性与刚性地基假定下的结果存在较明显的差异。体系的周期、加速度以及层间位移等均比不考虑共同作用时增大，这表明结构的动力特性不仅取决于结构本身的刚度,而且与地基特性,基础刚度等密切相关，因此，考虑土-结构相互作用更符合工程实际情况。

　　(2)对高层钢结构进行地震响应分析时，刚性地基模型不能完全反映出上部结构的真实受力和变形状态，与考虑相互作用的计算结果相比较，结构杆件的内力偏小，因此，地基与土对上部结构的内力的影响不可忽视，同时表明完全按照刚性地基假定情况计算是不合理的。

　　(3)本文的研究采用有限元软件对结构-土相互作

　　用体系进行数值仿真，并与刚性地基的假定情况相比较，验证了相互作用三维空间体系对高层钢结构非线性地震响应分析的可行性及合理性，以期达到工程需要的安全性和经济性。

　　参考文献：

　　[1] 李培振，吕西林.考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析.地震工程与工程振动，2004，24(3)：130-138.

　　[2] 陈国兴.土体-结构体系地震性能研究.哈尔滨建筑工程学院学报，1994，27(5)：11-17.

　　[3] 汪梦甫，周锡元.基于性能的建筑结构抗震设计.建筑结构，2003，(3):59-61.

　　[4] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算.中国水利水电出版社，2000,10第18卷，第4期.

　　[5] 刘晶波，王振宇，杜修力等.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界.工程力学，2005，22(6): 46-51.

　　[6] 易日.使用Ansys6.1进行结构力学分析[M].北京:北京大学出版社，2002.

　　[7] 建筑抗震设计规范(GB50011-2001).北京:中国建筑工业出版社，2001.7.