土弹性模量对土—结构共同作用体系影响分析

张永兵，唐　滢，梁星云，陈　挚

(广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)



土弹性模量对土—结构共同作用体系影响分析

张永兵，唐滢，梁星云，陈挚

(广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)

为了分析岩溶区土的弹性模量对共同作用体系的影响，建立岩溶地基—桩筏基础—钢框架核心筒结构三维有限元模型，对比分析桩间土弹性模量变化时，上部结构的动力响应情况。结果表明：桩间土弹性模量的变化对共同作用体系的动力响应有一定的影响，随着桩间土弹性模量的增加，上部结构加速度峰值、位移峰值、层间位移角峰值整体上有减小的趋势，位移峰值变化率最大为12.76%，加速度峰值和层间位移角峰值变化率都在10%以内；基础的弯矩和剪力减小。分析其原因是桩间土弹性模量的增大，增大了地基的刚度，使地基土在地震作用下的变形减小，对桩筏基础的约束增大，从而使上部结构的动力响应和基础的内力减小。

岩溶地区；地基—桩筏基础—钢框架核心筒结构共同作用；桩间土弹性模量

0　引　言

我国国土面积辽阔，地质情况复杂多样，在我国南方地区分布着大面积的岩溶地貌。岩溶区的地基土以红黏土为主，并伴随着溶洞的分布，岩溶区特殊的地质条件，造成了其岩溶区地震“小震级、高烈度”的特点[1-4]。随着我国经济的发展，不可避免要在岩溶地基上建造高层或超高层建筑，大量分析研究[5-9]表明，在结构的抗震设计中，考虑上部结构—基础—地基的共同作用是非常必要的，影响共同作用的因素众多，如土体边界条件、输入的地震波、地基土参数等[10-12]。在岩溶地区的高层建筑中，桩筏基础由于其承载力高、整体性好、沉降小的优点而被广泛使用[13]，桩与土的共同作用问题不可忽视，桩间土参数(如弹性模量、摩擦角、摩擦系数等)的变化均对共同作用有一定的影响，本文将对地震作用下桩间土弹性模量对岩溶地基—桩筏基础—钢框架核心筒结构共同作用的影响展开研究，探讨其规律性。

1　共同作用的基本原理

在建筑设计中，传统的方法是将上部结构、基础和地基三者分离开，假设上部结构用支座固定，并且支座无任何变形，在这种情况下求解各部分内力及变形。实际的建筑物，上部结构、基础和地基是一个有机整体，三者相互影响，共同作用。在分析时，既要考虑力的平衡条件，也要满足变形协调条件，这样才能和实际情况相符。上部结构—桩筏基础—地基土共同作用运动方程[14]：

(1)

2　有限元模型

利用有限元软件ABAQUS建立了岩溶地区地基—桩筏基础—钢框架核心筒结构的三维有限元模型。其中，上部结构为钢框架核心筒结构，层高3.6m，地下2层，地上30层，横向尺寸24m，纵向尺寸32m，核心筒面积占楼层总面积的16.6%，基础形式为桩筏基础，圆形桩长20 m，结构平面布置图如图1所示，桩位布置图如图2所示。

图1结构平面布置图

Fig.1Structure layout

图2桩位布置图

Fig.2Pile plan

表1列出了上部结构及基础的参数。

表1　构件参数Tab.1　The parameter of structural members

场地土本构模型采用Drucker-Prager模型，场地土选取广西某典型岩溶场地地质勘查报告中的红黏土参数如表2所示。考虑桩土接触效应，法向为“硬”接触，切向采用罚摩擦公式，摩擦系数为0.2[15]。

表2　场地土参数Tab.2　Soil parameter

输入的地震波为图3所示的调幅反演[16]后的EI Centro波。

建立共同作用三维有限元模型(图4)，取桩间红黏土弹性模量的5种工况[17](表3)，研究桩间土弹性模量的变化对共同作用体系的影响。

图3　EI Centro波加速度时程曲线Fig.3　Acceleration time curve of the EI Centro wave

3　上部结构动力响应对比分析

①加速度对比分析

各层加速度峰值见图5，各工况最大加速度见表4。

表4　最大加速度Tab.4　The maxium acceleration

由图5和表4可知：上部结构的最大加速度发生在顶层，工况1时，顶层加速度最大，为9.482 m/s2，工况5的顶层加速度最小，为8.758 m/s2。工况1至工况5，加速度总的变化率为7.64%，随着桩间土弹性模量的增加，上部结构加速度总体上呈现出变小的趋势。

②位移对比分析

提取5种工况下的各层位移峰值，如图6所示，各工况的最大位移见表5。

图5　各层加速度峰值Fig.5　The peak acceleration of each layer

图7　层间位移角峰值Fig.7　The peak interstory drift ratio of each layer

由图6和表5可以看出：结构的位移随着楼层的增高而增大，工况1时，上部结构的顶层位移最大，为188.370 mm，工况5时，上部结构的顶层位移最小，为164.337 mm,总变化率为12.76%，桩间土弹性模量越大，结构各层的位移峰值越小。

③层间位移角对比分析

提取各层层间位移角峰值如图7所示，最大层间位移角见表6。由图7和表6可以看出：桩间土弹性模量的变化对上部结构层间位移角影响较小，桩间土弹性模量从工况1增加至工况5，上部结构的总的层间位移角变化率为3.39%，但总的来说，随着桩间土弹性模量的增加，层间位移角有减小的趋势。

表6　最大层间位移角Tab.6　The maxium interstory drift ratio

4　地基基础受力对比分析

分别提取桩①和桩②在2.42 s的弯矩和剪力值，如图8和图9所示。

(a) 桩①弯矩

(b) 桩②弯矩

图8桩身弯矩包络图

Fig.8The bending moment of pile body

(a) 桩①剪力

(b) 桩②剪力

图9桩身剪力包络图

Fig.9The shear of pile body

由图8和图9可以看出，桩间土弹性模量越大，土的刚度越大，对基础的约束作用增强，从而使基础的弯矩和剪力减小。

5　结　语

利用有限元软件ABAQUS建立了岩溶区共同作用模型，对比分析了桩间土不同弹性模量下岩溶地基—桩筏基础—钢框架核心筒结构共同作用体系上部结构的动力响应。结果表明：桩间土弹性模量的变化对上部结构的动力响应有一定的影响，随着桩间土弹性模量的增加，上部结构加速度峰值、位移峰值、层间位移角峰值整体上有减小的趋势，位移峰值变化率最大为12.76%，加速度峰值和层间位移角峰值变化率都在10%以内；基础的弯矩和剪力减小。分析其原因是桩间土弹性模量的增大，增大了地基的刚度，使地基土在地震作用下的变形减小，对桩筏基础的约束增强，从而使上部结构的动力响应和基础的内力减小。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

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

广西自然科学基金资助项目(2013GXNSFBA019236)；广西科技攻关计划项目(桂科攻12426001-5)；广西工程防灾与结构安全重点实验室和防灾减灾与工程安全教育部重点实验室项目(2013ZDX10)；广西大学科研项目(土科基-2012-03)

张永兵(1979—)，男，河南襄城人，广西大学副研究员，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：张永兵，唐滢，梁星云，等.土弹性模量对土—结构共同作用体系影响分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1139-1144.