高层建筑与桩土共同作用抗震性能

高层建筑与桩土共同作用的抗震性能探讨
摘要：地震作用的本质是土体-结构物在地震激励下产生的响应问题。

由于上覆土层对来自基岩的地震激励具有放大或过滤的双重效应，使得结构产生的地震响应具有不同的振动特性。

研究表明，对于地基地表反应或基岩地震动，根据上覆土层性质反演或正演得到土层中每点处的地震动，对基础或桩基础进行多点输入更为合理。

关键词：高层建筑，上部结构，共同作用，抗震
一、结构模型
某一钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总高度31.5m，共10层，底层层高4.5m，2~10层层高为3m，柱网尺寸为6m×6m，承台板厚为800mm，采用柱下桩基，共12根桩，桩长17.5m。

柱网及剪力墙布置见图1。

以大型通用有限元分析软件ansys为平台，建立框架剪力墙上部结构-桩-土耦合有限元模型，以时域有限元方法进行框架剪力墙上部结构-桩-土耦合模型的水平地震响应分析。

场地土采用有限元模型，采用粘弹性人工边界模拟地震能量向远场的耗散效应，横向每3m划分一个单元，纵向每3m划分一个单元；框架梁、柱以及桩采用beam188单元模拟，梁、柱延长度方向每1.5m划分一个单元，桩沿长度方向每3m划分一个单元；楼板、剪力墙及承台板采用shell
单元模拟，楼板、剪力墙以及承台板均沿边长每3m划分一个单元。

土-桩-框剪上部结构耦合有限元模型如图图2所示。

二、地震时程响应分析
对土-桩-框架剪力墙上部结构耦合动力相互作用体系进行地震时程响应分析，输入三条天然地震动记录，分别为天津波、el-cento 波和汶川波，本文按基本烈度为7度对三条天然地震动进行峰值修正，修正后最大加速度值为122.625cm/s2。

不同地震动输入情况下，土-桩-框剪上部结构耦合系统的顶层加速度时程响应以及1、7层的位移时程响应分别见图3和图4。

同理分析并对比上部为框架结构可得到，当上部结构采用框架-剪力墙结构时，考虑相互作用与不考虑相互作用情况下的结构顶层峰值加速度响应差异较上部结构采用框架情况下要明显，由此可以推断，考虑相互作用与否对刚性较大的框架-剪力墙结构地震加速度响应的影响要比对刚性较小的框架结构显著。

对比结构的位移峰值响应，得出在不同频谱特性的三条地震波激励下，仅在汶川波激励下，考虑相互作用的结构位移响应小于不考虑相互作用下的结构位移响应，而且与上部结构采用框架形式时的位移响应相比较，框架-剪力墙上部结构的位移响应为小。

三、上部结构变形分析
该框架-剪力墙结构四层以下大致呈剪切型变形，从一层到四
层，层间位移逐渐增大；四层以上呈弯曲型变形，从四层到十层层间位移逐渐减小。

由于考虑地基土及桩的参与，在地震激励下，基础将产生水平位移，因此耦合体系的绝对水平位移要大于不考虑相互作用影响的上部结构的水平位移，仅在汶川波激励下，不考虑相互作用情况下的位移响应较大，但变形值仅为1.46cm，基本不会对结构造成变形损坏。

在不同地震激励下，上部结构采用框架形式时，考虑相互作用下的耦合体系层间位移角与不考虑相互作用的体系相比增大，且层间位移角最大值出现位置较不考虑相互作用的体系靠下。

而上部结构采用框架-剪力墙结构形式时，没有出现上述的规律，在汶川波激励下，不考虑相互作用时的层间位移角均大于考虑相互作用的情况；在el-centro波激励下，4层以下时不考虑相互作用时的层间位移角小于考虑相互作用的情况，4层以上时，不考虑相互作用时的层间位移角大于考虑相互作用的情况；在天津波激励下，考虑相互作用时的层间位移角大于不考虑相互作用的情况。

因此，对于上部结构采用框架-剪力墙形式时，对于层间位移角的考察，并不总是偏于保守的，还要综合考虑传统设计方法得出的结论。

结论
考虑相互作用与不考虑相互作用情况下，上部结构地震响应对比考虑相互作用与不考虑相互作用情况下，上部结构的变形形态没有本质改变，上部采用框架结构时，呈剪切型变形，与不考虑相互作用时相比，最大层间位移角出现位置下移，并且层间位移角曲线
曲率变大；上部采用框架-剪力墙结构时，呈弯曲型变形，与不考虑相互作用时相比，最大层间位移角出现位置下移，并且层间位移角曲线曲率变小。

在考虑相互作用的情况下，在不同地震激励下，框架-剪力墙上部结构的最大变形及最大层间位移角均小于框架上部结构。

由于地基土及桩的参与，在地震激励下，考虑相互作用影响的耦合体系基础将产生水平位移，因此耦合体系的绝对水平位移大于不考虑相互作用影响的上部结构的水平位移；另一方面，对于不同频谱特性的地震激励，不同的上部结构形式，两者水平位移的差值不同，由于考虑了地基土以及桩的刚度参与，耦合体系的固有周期变长，因此考虑相互作用的耦合体系对低频地震激励的响应更强烈，在高频特性的汶川波激励下，体系产生的变形与同样峰值加速度的低频特性波相比非常小，且层间位移角的变化也略显不规则；对于上部采用框架结构时，耦合体系的上部结构最大水平位移以及层间位移角均大于不考虑相互作用的情况，而当上部采用框架-剪力墙结构时，由于结构刚度、振动频率以及阻尼发生变化，层间位移角并不总大于不考虑相互作用的情况。

对于上部结构采用框架-剪力墙形式时，对于层间位移角的考察，并不总是偏于保守的，还要综合考虑传统设计方法得出的结论。

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