变刚度调平优化设计1

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1、高层建筑桩筏基础变刚度调平优化设计李永乐1王江锋1王茜2（1．华北水利水电学院河南，郑州，450045；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司）摘要：有限元计算结果表明：考虑上部结构—桩筏基础—地基共同作用时，桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整，并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知：改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。1.引言：目前高层建筑桩筏基础设计中，多数采用均匀等长

2、、等径的满堂均匀布桩的方法，用有限元分析结果表明，这种满堂布桩的方法，地基的碟形沉降仍不可避免。这是由于地基是一个完整的三维体，作用在某一点处的荷载在其余各点处也会产生位移，各点相互作用的结果，使得中间部分沉降最大，而角点沉降相对较小。筏板中心与筏板边、角点的沉降差是导致基础内力和上部结构次生应力的根源。虽然增加上部结构和筏板的刚度可以减小差异沉降，但是这种减小是有限的，当上部结构和筏板的刚度增加到一定程度时，对减小差异沉降效果不再明显，若继续增加，必将造成不必要的浪费。因此，通过合理地调整地基土刚度和桩基的支承刚度，充分利用每根桩的承载力

3、并且发挥地基土的承载能力，可达到显著减少甚至消除基础差异沉降并且降低工程造价的目的。2上部结构—桩筏基础—地基共同作用模型的建立2.1实体模型介绍本次研究实例为15层建筑，上部结构采用纯框架结构，框架层高3.6m，纵横方向柱距均为8m，分为3跨；各层框架柱截面尺寸为800mm×800mm，梁截面尺寸为600mm×400mm，梁柱砼等级为C30，弹性模量为3×104MPa，泊松比μ=0.17，密度=2500kg/m3；楼板厚度为0.20m，材料参数同梁柱；基础采用桩筏基础，筏板厚度为1m，悬挑长度为2m，筏板砼等级为C30；场地地质条件为：地

4、表至4.0m深范围内为稍密或中密粉土，4.0~8.5m深范围内为可塑或软塑粉质粘土，8.5~12.0m深范围内为中密粉土，12m以下为硬塑粉质，地下水位在地表以下6.0m左右。土体材料参数取各土层的加权平均值，弹性模量为1.8E7Pa，泊松比μ=0.35，内聚力为12kpa,内摩擦角为280。2.2模型概化、计算域和边界条件在建模过程中将上部结构钢筋混凝土梁、楼板和筏板基础均概化为线弹性体，核心筒体的剪力墙厚0.35m,并用壳单元SHELL63模拟；土体为连续的弹塑性体，符合Drucker-Prager模型。土体范围向下取至桩端平面以下30

5、m处，水平方向向桩边缘外取至12m处。由于模型的对称性Error!Referencesourcenotfound.，取1/4模型计算，除对称面施加对称约束外，其余各边界均为采用滚动支座，不允许x方向和y方向的移动，底端采用固定支座，顶端根据实际情况为自由面。整个有限元模型如图1所示。桩采用均匀等长等距布置，桩间距为4m，桩径1m，桩长15m，共布桩49根，桩身砼等级为C30；桩的布置图见图2。Fig.1Superstructure—pileraftfoundation—groundlocalguerillassynergyfiniteele

6、mentmodel3计算结果分析利用ANSYS有限元分析程序[2][3][4]，将上部结构与桩筏地基土体整体建模，然后分别划分网格和单元，并通过合理的节点耦合来考虑上部结构和筏板共同作用下，装机变刚度使得节点竖向位移以及变刚度调平优化设计。3.1均匀布桩有限元计算模型均匀布桩条件下有限元计算得出筏板的节点竖向位移见图3，从图3可见，筏板Fig.22ThepileraftfoundationFig.3Raftboardunitpitchverticaldisplacementwithpilesuniformdistanceisolineclo

7、udchartofuniformdistance呈中间大边缘小的“碟型”分布，中心处最大沉降为67mm，而边缘处沉降为47mm，最大差异沉降为20mm。与上部结构为纯框架结构相比，最大沉降和最大差异沉降均有所增大，增加值分别为11mm和12mm。对于建筑物来说，在保证沉降满足要求的情况下，应对差异沉降进行控制。因此，下面探讨均匀布桩的有限元模型基础上，通过改变桩长、桩距、桩径、地基土刚度及布桩方式对差异沉降调平，对该模型进行优化；并试图总结出可较好控制基础差异沉降的布桩形式。3.2变桩距的有限元计算模型针对均匀布桩产生的差异沉降，由茜平一等

8、人[5][6]提出从桩基优化设计的角度出发的非刚性底板下的“内强外弱”布桩方式，抽去群桩边缘部分桩可有效的较少差异沉降。本文在桩基优化设计中采用了这种“内强外弱”的布桩形式，在原