基础刚度对高层建筑抗震设计的影响分析

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1、规划与设计建材与装饰2014年6月基础刚度对高层建筑抗震设计的影响分析胡玉卜（重庆能源投资集团科技有限责任公司重庆400060）摘要：随着科学技术水平的不断提升，我国各行各业进入了新的发展阶段，工程建设行业更是呈现出新的特点。现有高层建筑结构抗震设计方法一般采用基础嵌固假定，忽略基础刚度对上部结构抗震设计的影响。实际上，客观存在的基础刚度将改变建筑结构的地震作用及效应。本文分析基础刚度对高层建筑侧移刚度以及整体稳定的影响，提出高层建筑抗震设计基础刚度的理念、计算方法及隔震结构基础竖向刚度要求，具有一定借鉴价值。关键词：高层建筑；抗震设计；基

2、础刚度；侧移刚度中图分类号：TU973+.31文献标识码：B文章编号：1673-0038（2014）23-0014-03引言随着我国城市化进程的不断推进，城市规模和城市人口剧增，为了提高城市土地利用效率，高层、超高层建筑的设计应用日趋普及。高层建筑结构的地震响应和基础刚度密切相关，但不同结构高度、自振周期、所处场地情况的差别又很大，以往的经验较为笼统，未能针对不同情况给出定量关系，并且经验和实际的分析结果有时会出现矛盾。实际研究表明，以地震作用下结构图2高层建筑基础刚度计算简图实际发生的基础刚度变化基本变量，分析结构的耗能情况，进而2高层建

3、筑抗震设计各类型基础刚度计算确定高层建筑实际抗震性能的内力和位移响应是较为理想的设2.1桩基刚度计算计方式。桩基刚度由竖向刚度、水平刚度和转动刚度及其耦合项组1高层建筑抗震设计基础刚度理念成，可由相关文献规定确定，也可由试桩曲线确定。目前，我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）通过引入2.2天然地基基础刚度计算地震剪力折减系数近似考虑地基基础与上部结构共同作用所带天然地基基础刚度计算简图如图3所示。B，L为基底宽度和来的影响；美国ATC3-06引入结构等效周期近似考虑其影响。各长度，d为基础高度，D为基础埋置深度，Szi为竖向

4、分布弹簧刚国规范趋于认为基础嵌固假定偏于安全。实际上，抗震设计考虑度；Sx，Sy为水平点弹簧刚度。基础刚度，不仅使结构周期延长、总地震作用降低，更为重要的是：客观存在的有限基础刚度将改变建筑结构在地震作用下的变形特点以及内力分布规律。相关文献指出基础嵌固假定可能为建筑结构抗震设计造成“整体过于保守，局部偏于危险”的不利影响。图3天然地基基础刚度计算简图基础总竖向刚度K（zkN/m）、横向水平刚度K（ykN/m）和纵向水平刚度K（xkN/m）近似可得：0.75图1ATC-40计算简图Kz=刂zGL蓘0.73+1.54蓸蔀B蓡1-自L含地下室的

5、高层建筑，地下室外侧土体抗力和刚度可显著提0.85高基础刚度。因此，结构计算简图可分为有地下室和无地下室两Ky=刂yGL蓘2+2.5蓸蔀B蓡2-自L种情况。图2（a）适用于基础拉梁刚度较小或独立基础情况，将地0.85GLBGLB基土竖向抗力作用模拟成分布竖向弹簧置于基底，地基土水平Kx=刂x嗓蓘2+2.5蓸蔀蓡-蓘0.1蓸1-L蔀蓡瑟2-自L0.75-自抗力作用模拟成点弹簧置于基础外边缘；图2（b）适用于建筑物式中：G、自，分别为土体剪切模量及泊松比；ex，ey和ez为基础具有地下室且承台底面以上不存在液化土层情况，考虑地下室埋深影响修正系

6、数。外侧土体抗力作用，将侧向地基土抗力作用模拟成点弹簧，置于基础竖向分布刚度k（kN/m3）及水平分布刚度k（kN/m3）、kxzy地下室楼板、顶板及底板边缘。（kN/m3）可由下式确定：对桩基础，竖向弹簧表征基桩的桩端阻力和桩身摩阻力，水kz=Kz/LB；ky=Ky/Ld；kx=Kx/Bd平弹簧表征桩顶水平弹性抗力及承台底与地基土的摩擦力。根据分布刚度乘以图3所示计算模型中弹簧所占面积可得·14·2014年6月建材与装饰规划与设计弹簧刚度值S（zikN/m），S（xkN/m）和S（ykN/m）。2.3地下室外侧土体水平刚度计算假定地基土水

7、平抗力系数C随入土深度线性增加且地表处为零，地下室外侧土体水平刚度计算简图如图4所示。图中h为地下室i层中点到地表距离（h0=0，hn=H）；m为地基土水平抗力系数的比例系数。图6高层建筑地震影响作用曲线图要指标。考虑基础刚度影响，结构侧移刚度减小，边界条件的弱化使结构失稳临界荷载有所减小。4.1基础刚度对剪切型结构整体稳定的影响分析图4地下室外侧土体水平刚度计算简图剪切型结构的失稳通常是整体楼层失稳，基础刚度对剪切型水平弹簧K刚度值可近似由下式确定：结构底层侧移刚度影响明显。基于有限基础刚度的剪切型结构K=0.5mL蓸h2-h2蔀iiii

8、-1底层临界荷载可表达为：式中：L———为垂直于土体水平抗力方向的墙体计算长度。nhV移=11=Dh2.4基础刚度退化计算蓸Gj蔀啄1有限1j=1cr1典型试桩曲线示意图如图5所