多遇地震下桩-土-上部结构一体化有限元分析

河南建材 20089 年第 13 期
多遇地震下桩-土-上部结构 一体化有限元分析
赵书锋, 孙 勇 开封大学土木建筑工程学院(475004）
摘 要：以 18 层钢筋混凝土框架剪力墙结构为例，采用大型 通 用 有限 元 软 件建 立 了 “正常 设 计 ”和“桩—土—上 部 结 构 共 同 耦 合 作 用 ”的 三 维 有 限 元 分 析 模 型 ，并 将 两 种 情 况 下 计 算 结 果 进 行 了 对 比 分 析 ，分 析 结 果 表 明 高 层 建筑中考虑下部结构对上部结构的影响进行设计，会更加合理。 关键词：桩—土—上部结构；耦合作用；时程分析；对比分析
法虽然比较实用,但各部分接触面处 不 满足 变 形 协调 条 件[1]，
验 实际上,下部结构和上部结构是共同作用，基于此,本文将 研 采 用 18 层框架剪力墙简化模型，将其在“ 正常设计条件 ”和 究 “桩-土-上部结构共同耦合作用” 两种情况下的分析结果
进行比较分析。
1 结构概况
本结构为 18 层 框 架 剪力 墙 结 构, 标 准 层 平面 图 如 图 1 所 示 ，1~3 层 层高 为 4.5m，4~18 层 层高 3.6m，桩 为 人工 挖 孔 桩，单桩示意图如图 2，桩长 10m，采用一柱一桩式布置 。 其 他参数如表 1 和表 2。 建筑类别为丙类，设防烈度为 8 度。
构件 1~6 层柱 7~14 层柱 15~20 层柱 7.5m 跨梁 5.4m 跨梁 1~3 层剪力墙 4~14 层剪力墙 15~18 层剪力墙 楼板厚度 筏板厚度 桩径
表 1 构件尺寸
截面尺寸/ mm 800×800 700×700 600×600 300×600 300×500 300 250 200 140 400 1200
外观要求的能力。 尽管混凝土耐久性问题是多种多样的,但
造 成耐 久 性 不良 的 原 因可 归 结 为两 方 面:1)外 部 环 境;2)混 凝 土内部缺陷及组成材料的特性。 出现耐久性问题,一般是内
外因素综合作用的结果。 因此,提高混凝土耐久性必须从提
高结构抵抗环境劣化作用能力和减少混凝土内部缺陷及改
摘 要:通过对混凝土耐久性、 大体积混凝土裂缝特点及混凝土开裂与耐久性的关系进行分析， 提出了改善大 体积混凝土耐久性的具体措施。 关键词：混凝土;耐久性;大体积混凝土;裂缝
1 混凝土的耐久性
混凝土耐久性就是指结构在设计要求的目标使用期
内 ，不 需 要 花 大 量 资 金 加 固 处 理 而 保 持 其 安 全 、使 用 功 能 和
混凝土强度等级 C40 C30 C30 C30 C30 C40 C35 C30 C30 C25 C25
表 2 土层相关参数
土层编号
1 2 3 4
水平抗力系数 加权平均重度
比例常数 m/ γ/(kN.m3) 侧压力系数 Kh (kN.m-4)
2000
17.0
2000×Z
4000
19.9
4000×Z
5000
力 ，加 上 混 凝 土 在 空 气 中 失 水 产 生 的 干 燥 收 缩 ，一 旦 拉 应 力
超过混凝土抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生裂缝。
温度裂缝和干缩裂缝是混凝土早期开裂的主要因素， 往往
是贯穿性的有害裂缝，对结构的抗渗性、 整体性、 耐久性甚
至承载能力十分不利。
3 混凝土开裂与耐久性的关系
混凝土设计标号不宜太高,过高的强度储备,会使水泥用 量增多，费用增大，施工中会导致混凝土内部温度过高，造 成内表温差过大。 同时，要优化混凝土配合比。 4.2.2 选择恰当的结构形式
大多数裂缝是由于温度应力产生的，因而结构形式选择 恰当则可以减小温度应力，从而减少裂缝。 4.2.3 合理布置配筋
可以提高混凝土的极限拉伸值，对提高混凝土的抗裂效 果较好。 单靠掺外加剂而没有结构措施是解决不了钢筋混
4.1 材料质量控制
4.1.1 合理选择水泥
应考虑选择粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥或复合
水泥， 同时应优先选择中热水泥甚至低热水泥。
4.1.2 降低水用量 减少用水量,水灰比降低; 加减水剂保持水灰比不变，满
足其流动性、保水性，便于操作，从而避免分层收缩裂缝。 4.1.3 降低水泥用量
用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值,可 以使混凝土浇筑后的内表温差和降温速度控制的难度降低; 同时也可降低保温养护的费用。 降低混凝土浇筑块体的温 度, 可 利 用 混 凝 土 60d 或 90d 后 期 强 度 作 为 混 凝 土 强 度 评 定、 工程交工验收、 混凝土配合比设计的依据。 4.1.4 骨料质量控制
20.6
5000×Z
ห้องสมุดไป่ตู้
6000
21.0
6000×Z
图 1 标准层平面图 图 2 单桩示意图
2 有限元分析模型的建立
2.1 单元类型的选择 在 模 型 中, 框 架 中 的 梁 和 立 柱 均 采 用 Beam188 单 元 模
拟 ，剪力 墙 和 楼板 采 用 Sheel63 单元 模 拟[2]。 为 了 模 拟 方 便 ， 假设同一土层内水平抗力系数比例常数相同， 桩与土之间 只存在压 缩 作 用,桩 身 采 用六 面 体 8 节点 Solld45 实 体 单元 ， 桩与 土 间的 相 互 作用 采 用 Commin14 弹簧 单 元 模拟 ，弹 簧 的 等 效 刚 度 由 k=mzdh 求 得 [3]，其 中 z 为 自 地 面 起 桩 的 深 度 ，d 为桩的等效直径，h 为划分单元的高度， 将柱底与桩顶接触 处 自 由 度 完 全 耦 合,桩 底 与 地 基 完 全 固 结 ，不 考 虑 桩 的 沉 降 和负摩阻力的影响。 结构有限元模型如图 3 模型 1（正常设
模型 1
模型 2
图3
2.2 材料特性
钢筋 混 凝 土的 容 重 统一 采 用 25kN/m3，弹 性 模 量 参 阅 文
献 4，泊松 比 为 0.3。 桩的 容 重 为 28 kN/m3，弹 性 模 量为 3.2×
1010MPa，泊松比为 0.3。
2.3 荷载施加
除 考 虑 结 构 的 自 重 外 , 楼 面 恒 载 为 1.5kN/m2, 活 载 为
3.2 多遇地震作用下的时程分析 弹性 时 程 分 析 时 地 震 波 的 选 取 EI-Cnetor(N-S)波 ，峰 值
加速度取值调整为 70cm/s2。 用 ANSYS 对两不同种假定分别 进行时程分析，计算所得最大楼层位移，最大层间位移角曲 线以及最大楼层加速度曲线如图 3、4、5。
从上面结果可以看出考虑相互作用后,结构的各楼层的 位移和层间位移角均有不同程度的增大,两种假定下结构底 层 的 变 形相 差 达 5.688%，2、3 层 分 别 为 2.866%和 19.115%， 其余各层均在 10%左右。 两种假定下该结构 X、Y 方向层间 位 移 角 最 大 值 分 别 出 现 在 第 10、15 层 为 1/1370 和 1/1490， 均满足规范中规定的小 于 1/800 的 要求[6]。 结 构 的下 部 加 速
78
Henan Building Materials
20089 年第 13 期 河南建材
计时有限元模型）和模型 2（桩一土一上部结构共同作用时 有限元模型）。
度响应增大，中部减小，上部基本保持一致，但其影响范围 和 程度 均 有 所不 同 ，X 向 1~10 层均 增 大 ， 而 Y 向 只 有 1~4 层增大；X 向中部减小并不明显，Y 向中部有明显的减小，并 且减小的楼层范围较大。
混凝土结构的劣化破坏过程，除少数情况如磨蚀等外，
无不涉及到各种有害介质从外部向内部的渗透或迁移作
用。 因而通常将混凝土的抗渗性作为反映耐久性的一个综
合性指标， 而混凝土材料的渗透性与它的各种缺陷，如孔隙
特征、 裂缝状况等密切相关。各种开裂是导致目前混凝土结
构耐久性差的主要原因。
4 提高大体积混凝土耐久性的措施
（下转 82页）
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
作为常用掺合料的粉煤灰可以提高混凝土的和易性，大 大改善混凝土工作性能和可靠性， 同时代替水泥降低水化 热。 外加剂主要有减水剂、缓凝剂和膨胀剂。 减水剂可减少 拌合用水及节约水泥， 从而降低水化热; 缓凝剂可推迟混凝 土的初凝时间; 膨胀剂可防止混凝土的初始裂缝。 4.2 结构设计质量控制 4.2.1 控制混凝土设计标号
骨料尽量用干净的中、粗砂，控制含泥量小于 1.5 %。 干 净中粗砂空隙率小，总表面积小，可减少混凝土的水和水泥 用量，从而降低水化热，使温度裂缝减少。 干净的中粗砂含 泥 量 小 ，收 缩 变 形 就 小,从 而 裂 缝 也 小 。 粗 骨 料 采 用 5mm~ 40mm 颗粒 级 配的 石 子,含 泥 量 控 制 在 1.5 %以 下 ，可 降 低 水 化热，减小收缩变形。 4.1.5 使用掺合料和外加剂
试 善其组成材料的性能着手。
2 大体积混凝土裂缝特点
验
大体积混凝土在连续浇筑和硬化过程中,水泥水化反应
研 产生大量水化热，由于混凝土热阻很大，热量聚集在内部不
究 易散发,而表面散热较快， 这样在混凝土内部和表层形成较 大的内表温差。 混凝土内表温差、升降温变化加上环境因素
如气候变化、 拆模等影响， 导致不均匀温度变形和温度应
现行高层建筑结构设计普遍采用的是类似力学分析中 的隔离体法，即将上部结构、基础、地基分别按隔离体对待, 上部结构与基础接触处的内力作为外荷载作用于上部结构 或基础上,基础与地基接触面处的内力也作为外荷载作用于 基础或地基上,设计或计算时视基础与上部结构的连接方式