土彈性模量對土—結構共同作用體系影響分析

張永兵，唐　瀅，梁星云，陳　摯

(廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

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土彈性模量對土—結構共同作用體系影響分析

張永兵，唐瀅，梁星云，陳摯

(廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

為了分析巖溶區土的彈性模量對共同作用體系的影響，建立巖溶地基—樁筏基礎—鋼框架核心筒結構三維有限元模型，對比分析樁間土彈性模量變化時，上部結構的動力響應情況。結果表明：樁間土彈性模量的變化對共同作用體系的動力響應有一定的影響，隨著樁間土彈性模量的增加，上部結構加速度峰值、位移峰值、層間位移角峰值整體上有減小的趨勢，位移峰值變化率最大為12.76%，加速度峰值和層間位移角峰值變化率都在10%以內；基礎的彎矩和剪力減小。分析其原因是樁間土彈性模量的增大，增大了地基的剛度，使地基土在地震作用下的變形減小，對樁筏基礎的約束增大，從而使上部結構的動力響應和基礎的內力減小。

巖溶地區；地基—樁筏基礎—鋼框架核心筒結構共同作用；樁間土彈性模量

0　引　言

我國國土面積遼闊，地質情況復雜多樣，在我國南方地區分布著大面積的巖溶地貌。巖溶區的地基土以紅黏土為主，并伴隨著溶洞的分布，巖溶區特殊的地質條件，造成了其巖溶區地震“小震級、高烈度”的特點[1-4]。隨著我國經濟的發展，不可避免要在巖溶地基上建造高層或超高層建筑，大量分析研究[5-9]表明，在結構的抗震設計中，考慮上部結構—基礎—地基的共同作用是非常必要的，影響共同作用的因素眾多，如土體邊界條件、輸入的地震波、地基土參數等[10-12]。在巖溶地區的高層建筑中，樁筏基礎由于其承載力高、整體性好、沉降小的優點而被廣泛使用[13]，樁與土的共同作用問題不可忽視，樁間土參數(如彈性模量、摩擦角、摩擦系數等)的變化均對共同作用有一定的影響，本文將對地震作用下樁間土彈性模量對巖溶地基—樁筏基礎—鋼框架核心筒結構共同作用的影響展開研究，探討其規律性。

1　共同作用的基本原理

在建筑設計中，傳統的方法是將上部結構、基礎和地基三者分離開，假設上部結構用支座固定，并且支座無任何變形，在這種情況下求解各部分內力及變形。實際的建筑物，上部結構、基礎和地基是一個有機整體，三者相互影響，共同作用。在分析時，既要考慮力的平衡條件，也要滿足變形協調條件，這樣才能和實際情況相符。上部結構—樁筏基礎—地基土共同作用運動方程[14]：

(1)

2　有限元模型

利用有限元軟件ABAQUS建立了巖溶地區地基—樁筏基礎—鋼框架核心筒結構的三維有限元模型。其中，上部結構為鋼框架核心筒結構，層高3.6m，地下2層，地上30層，橫向尺寸24m，縱向尺寸32m，核心筒面積占樓層總面積的16.6%，基礎形式為樁筏基礎，圓形樁長20 m，結構平面布置圖如圖1所示，樁位布置圖如圖2所示。

圖1結構平面布置圖

Fig.1Structure layout

圖2樁位布置圖

Fig.2Pile plan

表1列出了上部結構及基礎的參數。

表1　構件參數Tab.1　The parameter of structural members

場地土本構模型采用Drucker-Prager模型，場地土選取廣西某典型巖溶場地地質勘查報告中的紅黏土參數如表2所示。考慮樁土接觸效應，法向為“硬”接觸，切向采用罰摩擦公式，摩擦系數為0.2[15]。

表2　場地土參數Tab.2　Soil parameter

輸入的地震波為圖3所示的調幅反演[16]后的EI Centro波。

建立共同作用三維有限元模型(圖4)，取樁間紅黏土彈性模量的5種工況[17](表3)，研究樁間土彈性模量的變化對共同作用體系的影響。

圖3　EI Centro波加速度時程曲線Fig.3　Acceleration time curve of the EI Centro wave

3　上部結構動力響應對比分析

①加速度對比分析

各層加速度峰值見圖5，各工況最大加速度見表4。

表4　最大加速度Tab.4　The maxium acceleration

由圖5和表4可知：上部結構的最大加速度發生在頂層，工況1時，頂層加速度最大，為9.482 m/s2，工況5的頂層加速度最小，為8.758 m/s2。工況1至工況5，加速度總的變化率為7.64%，隨著樁間土彈性模量的增加，上部結構加速度總體上呈現出變小的趨勢。

②位移對比分析

提取5種工況下的各層位移峰值，如圖6所示，各工況的最大位移見表5。

圖5　各層加速度峰值Fig.5　The peak acceleration of each layer

圖7　層間位移角峰值Fig.7　The peak interstory drift ratio of each layer

由圖6和表5可以看出：結構的位移隨著樓層的增高而增大，工況1時，上部結構的頂層位移最大，為188.370 mm，工況5時，上部結構的頂層位移最小，為164.337 mm,總變化率為12.76%，樁間土彈性模量越大，結構各層的位移峰值越小。

③層間位移角對比分析

提取各層層間位移角峰值如圖7所示，最大層間位移角見表6。由圖7和表6可以看出：樁間土彈性模量的變化對上部結構層間位移角影響較小，樁間土彈性模量從工況1增加至工況5，上部結構的總的層間位移角變化率為3.39%，但總的來說，隨著樁間土彈性模量的增加，層間位移角有減小的趨勢。

表6　最大層間位移角Tab.6　The maxium interstory drift ratio

4　地基基礎受力對比分析

分別提取樁①和樁②在2.42 s的彎矩和剪力值，如圖8和圖9所示。

(a) 樁①彎矩

(b) 樁②彎矩

圖8樁身彎矩包絡圖

Fig.8The bending moment of pile body

(a) 樁①剪力

(b) 樁②剪力

圖9樁身剪力包絡圖

Fig.9The shear of pile body

由圖8和圖9可以看出，樁間土彈性模量越大，土的剛度越大，對基礎的約束作用增強，從而使基礎的彎矩和剪力減小。

5　結　語

利用有限元軟件ABAQUS建立了巖溶區共同作用模型，對比分析了樁間土不同彈性模量下巖溶地基—樁筏基礎—鋼框架核心筒結構共同作用體系上部結構的動力響應。結果表明：樁間土彈性模量的變化對上部結構的動力響應有一定的影響，隨著樁間土彈性模量的增加，上部結構加速度峰值、位移峰值、層間位移角峰值整體上有減小的趨勢，位移峰值變化率最大為12.76%，加速度峰值和層間位移角峰值變化率都在10%以內；基礎的彎矩和剪力減小。分析其原因是樁間土彈性模量的增大，增大了地基的剛度，使地基土在地震作用下的變形減小，對樁筏基礎的約束增強，從而使上部結構的動力響應和基礎的內力減小。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Impact of soil elastic modulus on soil-structure interaction

ZHANG Yong-bing, TANG Ying, LIANG Xing-yun, CHEN Zhi

(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

A 3D finite element model of the karst subgrade-piled raft foundation-outer steel frame core tube structure is established to analyze the effect of soil elastic modulus on the interaction system in karst area, and a contrastive analysis is conducted on the dynamic responses of the upper structure when the soil elastic modulus changes between piles. The results indicate that the change of soil elastic modulus has affected the responses of the interaction system, with an increase in the elastic modulus of the soil between the piles; that the peak acceleration, peak displacement and peak inter story drift ratio of the upper structure tend to decrease; that the maximum change rate of peak displacement is 12.76%, and the change rates of peak acceleration and peak inter story drift ratio are less than 10%; that the moment and shear of the foundation decrease. The reason is that the rigidity of the foundation increases with the increase of elastic modulus of the soil between piles, and the soil deformation decreases under earthquake, which increases the restrain to piled raft foundation, so that the responses of the upper structure and the internal force of the foundation tend to decrease.

karst region; foundation-piled raft foundation-steel frame core tube structure interaction; elastic modulus between piles

2016-03-01；

2016-04-22

廣西自然科學基金資助項目(2013GXNSFBA019236)；廣西科技攻關計劃項目(桂科攻12426001-5)；廣西工程防災與結構安全重點實驗室和防災減災與工程安全教育部重點實驗室項目(2013ZDX10)；廣西大學科研項目(土科基-2012-03)

張永兵(1979—)，男，河南襄城人，廣西大學副研究員，博士;E-mail:zhangyongbing@foxmail.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1139

TU446

A

1001-7445(2016)04-1139-06

引文格式：張永兵，唐瀅，梁星云，等.土彈性模量對土—結構共同作用體系影響分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1139-1144.