2010年第 12期 西部探矿工程 187
高层建筑桩筏基础变刚度调平设计
分析
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熊 银 ,干腾君
(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)
摘 要:针对高层建筑桩筏基础的差异沉降控制问题,最新修订的《建筑桩基技术规范》JGJ 94--2008
提出了变刚度调平设计新理念。在考虑上部结构、桩筏基础和地基共同作用的基础上,利用有限元软
件 ANSYS对竖向荷载作用下桩筏基础的沉降进行 了计算分析,讨论 了变桩长、桩径、非均匀桩距等
布桩方式对基础差异沉降和内力的影响,对实际工程设计具有一定指导意义。
关键词:差异沉降;变刚度调平;共同作用;有限元
中图分类号:TU47 文献标识码:A 文章编号:lO04—57l6(2010)12—0187一O4
针对高层建筑桩筏基础传统设计
方法
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带来的碟形
差异沉降问题,最新修订的《建筑桩基技术规范》JGJ 94
-- 2008提出变刚度调平设计新理念,其基本思路是:考
虑地基、基础与上部结构的共同作用,对影响沉降变形
场的主导因素——桩土支承刚度分布实施调整,“抑强
补弱”,促使沉降趋向均匀。具体而言,对于高层建筑内
部的变刚度调平,主导原则是强化中央,弱化外围。对
于荷载集中、相互影响大的核心区,实施增大桩长或调
整桩径、桩距;对于外围区,实施少布桩、布较短桩,发挥
承台承载作用。调平设计过程就是调整布桩,进行共同
作用迭代计算的过程。
采用有限元软件 ANSYS,建立上部结构~基础一
地基三维弹塑性有限元分析模型,合理地模拟桩、筏、
土、上部结构的共同作用,讨论了变桩长、桩径、非均匀
桩距等布桩方式对基础差异沉降和内力的影响,对实际
工程设计具有一定指导意义。
1 变刚度调平设计原理
高层建筑地基(桩土)作为上部结构一基础一地基
(桩土)体系中的组成部分,其沉降受三者共同作用的制
约。共同作用的总体平衡方程为:
LK +K,+K ]{U)一{ }+{Fr) (1)
式中:K ——凝聚于基础的上部结构刚度矩阵;
K厂一 凝聚于基础的基础刚度矩阵;
K ——凝聚于基础的桩土支承刚度矩阵;
{U}——基础节点位移向量;
{ )、{F,}-一 凝聚于基础的上部结构、基础荷
载向量。
上部结构与基础和地基共同作用是把上部结构、基
础、地基三者作为一个整体考虑,并且三者之间须同时
满足静力平衡和变形协调。通过(1)式的共同作用分析
可知,上部结构、基础和地基的刚度分布直接影响基础
的沉降分布情况。理论分析和工程实例表明,若想减少
差异沉降,采取加大基础刚度 K 方法的效果并不明显,
且明显的不经济。而上部结构剐度 K ,由于受到使用
功能的约束,加强上部结构刚度的方法也很难实现。因
此,要使沉降趋于均匀,唯有依靠调整桩土支承刚度
K ,使之与荷载分布和相互作用效应匹配。这也是优
化高层建筑地基基础设计、减少乃至消除差异沉降的有
效、可行而又经济的途径。
2 计算分析
2.1 计算模型
采用ANSYS计算程序,建立算例模型进行分析。
计算模型为:上部结构为 12层的框架一核心筒结构,层
高 3m,框架柱截面尺寸 600mm×600mm,框架梁截面
尺寸 250mmX600mm,核心筒剪力墙厚 250ram。筏板
平面尺寸 13.2mX 13.2m,厚 0.6m。桩型为 600mm×
600mm的钢筋混凝土桩,桩长 19m。模型中所有混凝
土材料计算参数均为:密度 2500kg/m。,弹性模量3.0×
10 MPa,泊松比0.2。桩的布置如图 1所示。
地基土分四层,在 ANSYS程序中建立模型时,考
虑到建筑物对周围土体的影响,取地基土的土域范围为
50rex 50mX 53m。地基土的材料属性采用 Drucker--
Prager弹塑性模型,计算参数见表 l。
* 收稿日期:2010-03—14
第一作者简介:熊银(1983一),男(汉族),重庆合川人,重庆大学土木工程学院在读硕士研究生,研究方向:高层建筑桩筏基础共同作用。
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图 l 桩布置图
有限元计算中,采用SHELL63单元模拟筏板和上
部结构的剪力墙,上部结构的梁柱用BEAM4单元来模
拟,桩与土均采用S0I,II)45单元模拟。桩土的接触面,
将利用面与面接触的Targe170、Conta173单元来模拟,
桩土接触面摩擦系数取为0.2。考虑到模型的对称性,
取 1/4模型为研究对象,对称面上施加对称约束,底面
上施加完全约束,其他两个侧面的约束为竖向可自由滑
动,横向固定。有限元网格划分见图2。
圈 2 有限元网格划分示意图
2.2 不同布桩方式的比较
影响桩土支承刚度分布方式之一就是改变桩的布
置方式,在筏基下桩的布置形式上,除了通常的“均匀布
桩”形式外,目前工程界和学术界还存在两种截然相反
且都已付诸实践的观点,即:“外强内弱”和“内强外弱’’
两种形式。
上面算例模型为均匀布桩,通过改变桩长来实现桩
的“外强内弱”和“内强外弱”两种布置形式。取中间l~
4号桩桩长为3hh,其他参数不变,实现“内强外弱”布
桩。“外强内弱”布桩则取5~16号桩桩长为31m,其他
参数不变。有限元计算后,得到筏板中心线OX轴的沉
降分布图3和弯矩分布图 4。
一 0.04
一 O.042
— 0.044
曼 一0.046
o.o e
— O.O5
- 0.052
— 0.O54
沿筏板长度(m)
0 1.2 2.4 3.6 4.8 6
图3 筏板OX轴沉降围
沿筏板I乏度《m}
0 1.2 2。4 3.6 4.8 6
图4 筏板OX轴弯矩图
:
从图 3可见,均匀布桩时基础平均沉降为
50.04mm,差异沉降为5.89mm~“内强外弱”布桩基础
枷 枷 划 Ⅲ Ⅲ Ⅲ m
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2010年第 12期 西部探矿工程 189
平均沉降为 49.81mm,差异沉降为 3.86ram;“外强内
弱”布桩基础平均 沉降为 44.32ram,差异沉 降为
7.1mm。可见,“内强外弱”布桩减少了差异沉降,平均
沉降量也略有减小。“外强内弱”布桩则减少了平均沉
降量,但却增加了差异沉降。而从图4还可以得到这样
一 个清晰的结论,即改变布桩方式对筏板内力的影响相
当大,其中以“外强内弱”布桩形式基础弯矩最大,“内强
外弱”布桩最小。
由上述分析可知,“外强内弱”这种布桩形式虽然略
微减少了基础的总体沉降量,但却是以增加差异沉降和
基础弯矩为代价的。采用“内强外弱”形式布桩时,虽然
总体沉降量减小效果不够明显,但差异沉降和基础弯矩
却大大减小,因此当对总体沉降量要求不太严格时,采
用“内强外弱”布桩是比较合理的选择。特别是对于框
架一核心筒结构,规范明确提出,应根据荷载分布,作到
局部平衡,并考虑相互作用对于桩土刚度的影响,强化
内部核心简和剪力墙区,弱化外围框架区。
2.3 改变不同参数实现“内强外弱”布桩的比较
2.3.1 改变桩长
分别取 1~4号桩桩长为 25m、31m,其他参数不
变,即通过改变桩长实现“内强外弱”布桩。有限元计算
后,筏板中心线OX轴的沉降分布和弯矩分布如图5和
图 6。
0.O{8
- — -
旦
邀 0.O 5
一 0.0 52
O.0 54
沿筏板K度(m)
0 i.2 2.‘ 3.6 ;.8 6
图5 筏板OX轴沉降图
从图5和图6中可以清楚的得到,通过改变桩长实
现的“内强外弱”布桩相对于均匀布桩,减少了基础的差
异沉降和弯矩。均匀布桩时基础差异沉降为 5.89ram,
最大弯矩为 144.27kN·In。中间桩桩长取 31m时,基
础差异沉降为 3.86ram,比均匀布桩减少了2.03mm;基
础最大弯矩为 118.33kN ·rn,比均匀布桩减少了
25.94kN ·m。
2.3.2 改变桩径
分别取 l~4号桩桩径为 0.9m×0.9m、1.2m×
1.2m,其他参数不变,即通过改变桩径实现“内强外弱”
沿筏扳长度(m)
0 1.: 2. 3.6 .8 6
图 6 筏板OX轴弯矩图
布桩。有限元计算后,筏板中心线 OX轴的沉降分布和
弯矩分布如图7和图8。
沿筏板长度cmj
0 1.2 2.4 3.6 ;.8 6
图 7 筏板 OX轴沉降图
沿筏扳K座 m)
0 1.2 2.4 3.6 4.8 6
图8 筏板 OX轴弯矩图
从图 7和图 8中可以得到,通过改变桩径实现的
“内强外弱”布桩相对于均匀布桩,减少了基础的差异沉
降和最大弯矩,但基础的沉降量和部分弯矩有所增大。
均匀布桩 时基础差异沉降为 5.89ram,最大弯矩为
144.27kN·m。中间桩桩径取 1.2m时,基础差异沉降
为 4.63ram,比均匀布桩减少了 1.26mm;基础最大弯
矩为 125.49kN·ITI,比均匀布桩减少了 18.78kN·ITI。
2.3.3 改变桩距
采取增加核心筒下布桩数量来减小桩距,即通过改
19O 西部探矿工程 2010年第 12期
变桩距实现“内强外弱”布桩。核心筒下分别增加布置
1根、4根桩,如图9和图1O所示,其他参数不变。有限
元计算后,筏板中心线OX轴的沉降分布和弯矩分布如
图 11和图 12。
口 原均布桩 一 加桩
图9
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
1桩布置图
0.O48
世 一0.05
口 原均布桩 一 加桩
图 10 方案2桩布置图
滞筏板长度(m)
0 1.2 2.4 3.6 4.8 6
图 11 筏板 OX轴沉降图
从图 11和图 12中可知,通过改变桩距实现的“内
强外弱”布桩相对于均匀布桩,减少了基础的差异沉降
和弯矩。均匀布桩时基础差异沉降为5.89mm,最大弯
矩为 144.27kN·I13.。中间桩布置为方案 2时,基础差
g
●
Z
邑
静
沿筏板长艘⋯
0 1.2 2.4 3.6 4.8 6
图 12 筏板OX轴弯矩图
异沉降为 3.68mm,比均匀布桩减少了 2.21mm~基础
最大 弯矩 为 115.97kN ·m,比均匀 布桩 减少 了
28.3kN·m。同时,比较方案 1和方案 2可知,方案 2
布桩对筏板所有部位的弯矩都减少。布桩时宜优先考
虑柱墙下布桩,可有效的减少基础的局部弯矩。
3 结论
(1)“外强内弱”布桩形式虽然减少了基础的总体沉
降量,但却增加了基础差异沉降和弯矩。“内强外弱”形
式布桩时,虽然总体沉降量减小效果不够明显,但差异
沉降和基础弯矩却大大减小。
(2)采用改变桩长、桩径和桩距的方法实现“内强外
弱”布桩时,就减少基础的差异沉降和弯矩的效果而言,
改变桩长、桩距方法的效果明显优于改变桩径的方法;
就同时考虑桩基整体造价的优化设计而言,则改变桩长
的方法为最佳选择。
总之,具体到实际工程设计中,要实现整体布桩的
“强”和“弱”,采用哪种调整方法还必须与现场地质条件
和施工条件结合起来,在经济合理的前提下,尽量不增
加技术难度。撇开场地地质条件和施工因素的影响,一
般来说,以调整桩长的方法,即以长、短桩布置最为合
理。因为其调节沉降的效果较好,可调节的范围也比较
大 。
参考文献 :
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