多、高层框剪结构地基与基础共同作用的综合分析

多、高层框剪结构地基与基础共同作用的综合分析

刘宏伟

天津市振津石油天然气工程有限公司 天津市 300384

摘要：社会经济的飞速发展使我国城市建设步伐也在不断的加快，在这样的背景下，多、高层建筑项目也越来越多。如何提高多、高层建筑的结构稳定性和安全性是每一个施工单位需要认真思考的问题。在多高层建筑工程当中，框架剪力墙是常用的一种施工结构，此种结构能够有效提高建筑的稳固性，因此，相关施工企业应当加大对框剪结构地基与基础共同作用，保障所设计的建筑结构能够满足建筑的实际要求。基于此，本文围绕着框剪结构展开论述，对其施工技术特点和意义进行分析，同时建立框架剪力强结构-地基系统的动力相互作用模型，通过模型对框剪结构地基与基础共同作用进行分析，以供相关建筑行业人员参考，从而推动推动我国城市建设的飞速发展。

关键词：框剪结构；施工技术特点；地基系统；基础；共同作用

引言

现代化工艺技术的飞速发展使高层建筑已经成为了人们的重要居所。在多、高层建筑的施工设计过程中，结构稳定性和强度方面有了更高的要求，特别使对于地基结构静、动力响应方面的问题也受到了国内外建筑工程行业人员的广泛关注。一般情况下，建筑工程动力响应分析主要是应用直接有限元分析法来进行，但此种分析模式主要存在着本质上以半无限性质的土基作为实体来模拟，此种模拟效果具有边界线。因此难以准确的模拟处波形对建筑造成的影响。随着科技的不断发展，有限元和无穷元耦合模型逐步被应用带多、高层建筑框剪结构地基与基础共同作用的分析过程中，此种方式能够有效的避免传统分析技术所存在的问题，进而提高分析结果的准确性。

一、框剪结构施工技术特点和意义

1.1框剪结构

建筑当中的框剪结构也被称为框架剪力墙结构，此种结构是指通过框架与剪力墙二者之间的结合，而后将剪力墙的墙梁与墙柱相连从而形成一个承重力极强的体系结构，具体的连接方式是通过铰接或者是钢按这两中方式。简而言之，在这个体系结构当中，需要在建筑整体框架结构当中布置适量的剪力墙，从而形成一个相对灵活、充足的使用空间，只有这样才能够在不同种类的建筑施工要求下都能够加以适应。其次就是为了降低形变，单纯的拥有强力的剪力墙是远远不够的，还需要拥有一定的侧向刚度，以此来抵御形变。最后，相关施工方还需要将框架和剪力墙两种结构的优势进行整合，从而能够进一步提高建筑的稳定性和可靠性。

1.2框剪结构施工技术特点

就目前我国建筑框架剪力墙结构建筑在施工方面主要有三种特点，分别为刚性特点、受力特点和抗震特点。①框剪结构施工技术的刚性特点也是这项技术当中的优势之一，相较于传统的纯框架结构，框架剪力墙在整体性能上已经比较相近，单独的框架结构的刚度在施工过程当中会受到各种外界因素的影响。因此，相关人员在实际的建筑工程施工当中要充分结合施工实际，将剪力结构墙的抗震等级进行划分，并且当剪力墙结构的弯矩接近70%左右时，则需要将框架刚度进行适当的减小；②框剪结构施工技术的受力特点，该项特点在建筑工程当中的作用往往是能够最大限度的发挥出受力优势，从而减少施工过程中所造成的弯曲形变等现象；③框剪结构施工技术抗震特点，该方面的特点能够明确出抗震的等级，并且要求相关人员在施工过程中要遵守抗震规范，从而提高建筑的稳定性和可靠性。

1.3意义

现如今，在多、高层建筑当中，如果能够使用铰接和钢按这两种方式，将剪力墙与框架进行完美的结合，便能够进一步提高框剪结构施工技术所发挥处的价值，并且将墙柱与墙梁相接之后，将整体的剪力墙承重结构进行优化。与此同时，在实际的多、高层建筑施工过程中，相关人员要加强对框剪结构施工技术的应用，在此过程中为了满足建筑施工当中不同施工阶段对技术的要求，将剪力墙的数量合理的分布在框架结构当中，以此来提高建筑整体结构的稳定性和可靠性。此种结构无论实在刚度方面还是抵御形变方面相较于传统建筑结构都具有较强的优势。

二、建立框剪结构-地基系统的动力相互作用模型

本次研究所建立的框剪结构-地基系统的动力相互作用模型其中的框架柱和梁主要利用二节点阿里进行模拟，而地基近域利用八节点参元进行模拟，远域利用无穷元模拟，剪力墙利用平面应力来进行模拟。

2.1针对框剪结构当中梁元域地基之间的耦合问题

通过模型的建立，梁单元的自由度为三个（μ，v，θ），而地基单元的自由度为两个（μ，v），为了保障模型能够顺利建立，需要对梁单元进行处理，以此来形成过渡梁单元，以使梁单元与地基单元能够进行有效耦合。

1. 位移

在坐标系（XOY）当中，过渡梁元的截面与平面能够有效结合。如果将过渡梁截面的高度设置为t，而此时二节点梁元的位移为{δ}^e，过渡梁元的位移为{δ’}^e，位移计算公式为：

{δ}^e={μ’_A v’_A θ’_A μ’_B v’_B θ’_B}^T

{δ’}

^e={μ’₁ v’₁ μ’₂ v’₂ μ’₃ v’₃ θ’₃}^T

使梁单元节点与地基单元节点进行位移相容，其中关系如下式：

{δ}^e=[T]{δ’}^e

2. 节点力变换

梁单元的节点所产生的位移{δ}^e节点力为{f}，位移后所产生新节点的位移{δ’}^e节点力为{f’}，据相关分析得出如下方程式：

{δ’}^eT{f’}={δ}^eT{f}

将[K]带入上述方程式得出：

[K’]=[T]^T[K][T]

由此中计算方式能够有效的将梁单元的刚度矩阵[K]转换为过渡单元的刚度矩阵[K’]，进而实现梁单元与平面单元的耦合。

2.2二节点梁单元与平面应力单元的耦合

一般情况下，在多、高层建筑当中，二节点梁元和平面应力单元并不重合，其中有一定的偏心情况。本次研究将二节点梁元设置为（A，B，C，D），平面应力元设置为（1，2，3，4），梁元自由度设置为（μ，v，θ），平面元的自由度为两个（μ，v）。

1. 位移

在本次研究当中，假设梁节点a所产的位移为：

{δ_a}=[μ_a v_a θ_a]^T

而平面应力元节点c的位移为：

{δ_c}=[μ_c v_c]^T

如果节点a从a点位移到a’点，节点c从c点位移到c’点，可以利用下述方程式将位移关系表达清楚：

{δ_c}=[H_i]{δ_a}

式中[H_i]=

2. 力的关系

如果将c点所产生的广义力f_uc位移到a点，则产生力的关系如下：

{F_a}={H_i}^T{F_c}

3. 单元刚度矩阵的转换

如果将一个单元看作为若干个节点，而每一个节点的转换都是按照上述关系来进行的，便得以得出：

{δ_c}=[H]{δ_a}

{F_a}={H}^T{F_c}

{H}便是单元偏心转换的矩阵。将此带入上述公式可以得出：

[K_a]{δ_a}={F_a}

[K_a]=[H]^T[K_c][H]

其中[K_a]为梁元主节点偏移转换的刚度矩阵。

3. 框剪结构地基与基础共同作用分析

3.1相关模型参数的计算

本次研究所计算的为多层建筑的4，6，8，10层平面框剪结构地基与基础共同作用响应。根据地基的弹性模量E_g和结构探析模量E_s之比和结构高跨比来对相关动力响应进行计算，相关计算模型参照下表：

表1 相关模型参数

地基产生如下表所示：

表2 地基参数

3.2计算结果分析

对于整体结构框剪结构与不同地基的组合所计算出的各系统的自振频率和响应值如表3、4所示：

表3 框剪结构与不同地基的自振频率计算

表4 各层框剪结构与不同地基的自振频率计算

3. 对模型进行分析得出结论

经过相关数据的计算分析可以得出：

1. 多、高层框剪结构地基与基础共同作用与弹性模量比有较大联系，相互作用影响较大。

2. 相互作用能够进一步降低系统的自振频率，着对于框剪结构的影响较大。

3. 针对多、高层建筑而言，柔性地基对中底层结构影响较高柔结构影响大。

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