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毕业设计(论文)考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性业分析.pdf
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1、南京工业大学_硕士学位论文_ 考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性分析 _申请学位级别:硕士_专业:岩土工程南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明-、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一洞工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。二、关于学位论文使用授权的声明南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光 盘
2、版)电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相致。允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊 登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权南京工业大学研究生 部办理C 硕士学位论文摘要随着房屋建筑的大量兴建和计算机技术的迅速发展,上部建筑与地基基础的 共同作用问题已受到工程界的广泛重视.由于计算手段的制约,在建筑结构设计 时,先把上部结构隔离出来,把基础视为绝对刚性支座,求出上部结构的内力、变 形;再把地基反力作用在桩或地基匕来设计桩或校核地基强度和变形.由于没有 考虑
3、基础沉降差引起上部结构的次应力,使上一部结构的设计偏F不安全:而由于 没有靠虑上部结构刚度的影响,基础的内力被高估.因而这种常规设计方法与建 筑物实际工作性状不相符.虽然当前已有考虑桩筏非线性的设计,但仍无人在此 基础上,考虑上部结构。因此考虑上部结构,进一步认识上部结构与筏基及桩基 和地基上非线性共同作用机制,优化设计桩筏塞础,具有重要的现实意义。本文在分析国内外相关研究成果的基础上,建立了一种考虑上部结构的上部 结构-桩筏基础一地基非线性共同作用分析方法:以子结构法凝聚上部结构的荷 载及刚度,以平面壳体单兀模拟筏板,按有限层法模拟桩土之间的弹性相互作用,用广义剪切位移法模拟桩的非线性工作性
4、状,用CUT-OFF方法对筏底土的极 限状态进行限制。编制了基于上述分析方法考虑上部结构及筏基实际刚度和桩的 非线性的共同作用分析程序。木文深入分析了上部结构对非线性共同作用的影响。考虑上部结构,将降低 土反力最小值,降低平均土反力,使筏底土反力分布更不均匀。并将减小基础沉 降的最大值和沉降差,尤其对降低沉降差有明显作用。共同作用的效应在上部结构上表现为,边柱因挤压而加载,中柱因拉伸而卸 载,从而改变上部结构内力分相.同一层柱加载与卸载的代数和为零。考虑共 同作用后,弯矩和剪刀都比常规法较大。可见,在上部结构中产生了可观的次应 力,在设计中如不加以考虑,结构在使用过程中川.能产生开裂现象.研究
5、了合理布桩方式,探讨了以零差异沉降为目标的优化设计的可能途径。合理调整桩长、桩径,在荷载大的地方(筏板中央区域)相置长而粗的桩,在荷 我小的地方(筏板边缘区域)布置短而细的桩,并考虑上部结构参与共同作用后,可以在不使上部结构产生可观的次应力的情况下,使得筏板的差异沉降很小,直 至趋近于零。大型工程实例的模拟与对比分析证明r本文方法的可行性和计算程序的实 用性,进一步验证了非线性复合桩基设计时考虑上部结构的必要性。硕士学位论文关键词上部结构群桩与土和承台及上部结构1F线性共同作用广义剪切位移法子结构法有限层法空间框架单元 平面壳体单元 布桩方式硕士学位论文ABSTRACTWith th e c
6、onstru c tion of bu ildings a nd th e de ve lopme nt of c ompu te r,th e inte ra c tion proble m be twe e n th e su pe rstru c tu re a nd th e f ou nda tion h a s be e n a tta c h e d importa nc e to.Be c a u se th e me a ns of c ompu ting a re re stric te d,wh e n we de sign th e bu ilding f ra me,
7、we se pa ra te th e su pe rstru c tu re a t th e f irst,a nd re ga rd th e f ou nda tion a s a bsolu te rigid be a ring,we c a n ge t th e inte rna l f orc e、distortion of th e su pe rstru c tu re;th e n,we pu t th e a nti-f orc e on th e pile s or th e f ou nda tion to de sign th e pile s or c h e
8、c k th e f ou nda tion inte nsity a nd distortion.Be c a u se we dont th ink of th e su pe rstru c tu re se c onda ry f orc e by th e dif f e re nt se ttle me nt of th e f ou nda tion,th e de sign of th e su pe rstru c tu re le a ns to not sa f e;be c a u se we dont th ink of th e a f f e c tion of
9、th e su pe rstru c tu re rigidity,th e f ou nda tion inte rna l f orc e is ove na te d.So th is rou tine de sign wa y doe snt ma tc h th e a c tu a l working prope rty of bu ildings.Alth ou gh c u rre ntly we c a n de sign with c onside ring nonline a r inte ra c tion of pile d ra f t f ou nda tions
10、,no one c onside rs su pe rstru c tu re.It is we igh tily signif ic a tive to u nde rsta nd of me c h a nism of th e inte ra c tion of pile d ra f t f ou nda tion-soil in c onside ra tion of th e su pe rstru c tu re,a nd to ra tiona lly de sign pile d ra f t f ou nda tion.On th e ba sis of th e re l
11、a te d re se a rc h,a nonline a r inte ra c tion me th od of pile d ra f t f ou nda tions with c onside ring su pe rstru c tu re is e sta blish e d:u tilize th e su b-stru c tu re me th od to a gglome ra te th e su pe rstru c tu re rigidity a nd loa d.Th e nonline a r sh e a r displa c e me nt of so
12、il a rou nd th e pile s is a na lyze d by th e ge ne ra lize d sh e a r displa c e me nt me th od,th e ra f t is simu la te d by th e pla ne-sh e ll e le me nt,a nd th e e la stic inte ra c tion of pile-pile,pile-soil a nd soil-soil a re de te rmine d by f inite la ye r me th od.In a ddition th e so
13、il pre ssu re is limite d with in th e sc ope of th e u ltima te be a ring c a pa c ity by CUT-OFF me th od.A progra m ba se d on th e a bove me th od h a s be e n progra mme d to a na lyzing nonline a r inte ra c tion of pile d ra f t f ou nda tions with c onside ring th e su pe rstru c tu re.Th e
14、e f f e c t of th e su pe rstru c tu re to th e nonline a r inte ra c tion is disc u sse d.Th inking of th e su pe rstru c tu re,th e minima l soil a nti-f orc e will be down,th e a ve ra ge soil a nti-f orc e will be down,so th e soil a nti-f brc c of ra f t distribu ting will be more u ne ve n.And
15、 th e ma xima l se ttle me nt m硕士学位论文a nd th e dif f e re nt se ttle me nt will be down,e spe c ia lly to th e dif f e re nt se ttle me nt.Th e inte ra c tion ma ke s th e e dge c olu mns be a r more loa d,ma ke s th e middle c olu mns be a r little loa d.Th e su pe rstru c tu re inte rna l f orc e
16、distribu ting is c h a nge d.Th e a lge bra su m of insta lling a nd u ninsta lling in th e sa me la ye r is ze ro.Th inking of th e inte ra c tion,th e be nding mome nt a nd sh e a ring f orc e will be bigge r th a n th e rou tine one s.So,if we dont th ink of th e se c onda ry f orc e in th e su p
17、e rstru c tu re,th e stru c tu re ma y c ra ze.In orde r to e limina te th e dif f e re nt se ttle me nt,th e re a sona ble la you t of pile is re se a rc h e d.Ch a nging th e le ngth a nd ra diu s of pile s re a sona bly na me ly loc a ting long a nd wide pile s in th e c e nte r pla c e a nd loc
18、a ting sh ort a nd th in pile s in th e e dge pla c e,c onside ring th e su pe rstru c tu re,c a n de c re a se th e dif f e re nt se ttle me nt to ze ro,a t th e sa me time,th e su pe rstru c tu re doe snt h a ve mu c h se c onda ry f orc e s.Th rou gh c ompa risons with f ie ld c a se stu die s,th
19、 e pre dic tion by th e pre se nt a pproa c h is in good a gre e me nt with th e me a su re me nts of f ile d c a se,wh ic h indic a te s th a t th e pre se nt a pproa c h in th is pa pe r is c one c t,th e progra m is u sa ble,a nd th a t th e de sign of th e th e ory of pla stic a lly be a ring pi
20、le with c onside ring su pe rstru c tu re is re a sona bleKEYWORDS su pe rstru c tu re,nonline a r inte ra c tion of pile d ra f t f ou nda tions with c onside ring su pe rstru c tu re ge ne ra lize d sh e a r displa c e me nt me th od,su b-stru c tu re me th od,f inite la ye r me th od,spa c e f a
21、me e le me nt,pla ne-sh e ll e le me nt,pile la you tIV硕士学位论文第一章绪论1.1 问题的提出及其研究意义上部结构与地基、基础共同作用是一门新兴的应用学科,它是随着高层建筑 大量兴建及计算机技术迅速发展而产生的.共同作用即指把三者看成一个整体,相互作用,协调变形。目前,上部结构与地基基础共同作用问题越来越受到T.程 界的重视.长期以来由于计算手段的限制,在分析建筑物的基础结构时,先是把上部结 构看作完全刚性.,不考虑共同作用。既而只考虑基础与地基的共同作用,不考虑 上部结构刚度的贡献.由尸结构形式不同,上部结构的刚度差别很大,在实际施 工
22、过程中,上部结构的刚度又是逐步形成的,因此,简单地把上部结构的刚度视 为无穷大是不合理的;此外,上部结构总有一定的刚度,特别是对高层建筑而言,忽略其刚度贡献所得的结果,与整个体系实际上发生的共同作用过程相差甚远。研究表明,按常规的工程设计方法,计算基础时把上部结构视为完全柔性,基础 的设计偏于安全,但材料的利用不尽合理,造成很大的浪费.而计算上部结构时 忽略了地基、基础参与作用对其应力的影响,因而设计是不安全的。实际上,上部结构、基础和地基是个彼此协调工作的整体,每一部分的工 作性状,都是三者共同作用的结果,应用共同作用的理论进行高层建筑设计,才 能比较真实地反映其实际_E作状态,也才可能是最
23、为经济合理的。桩基础是松软地基I:高层建筑的常用基础形式,当天然地基上的浅基础沉降 展过大或地基稳定性不能满足建筑物的要求时,常采用班基础,桩基础具有承载 力高、沉降速度慢、沉降量较小而均匀、对各种地质条件有良好的适应性等特点,能承受垂宜荷载、水平荷载、上拔力及机器产生的振动或动力作用等.常规设计 方法把全部上部荷载山桩承担,按照经验公式或桩的静载荷试验确定出单桩的承 载力后,算出桩数,桩间距采用3-4d倍桩直径(边长),忽略杭间土的承载力。但 在某些以摩擦支承为主的短桩基础,由下沉降较大,基础实际上分担了部分荷载。此外,现行桩基础设计中不考虑桩和基础板的荷载分担作用,桩长与底板厚度较 大,并
24、且随着建筑物高度的增加而明显增加,从而增加了基础工程在总工程造价 中的一比例,也相对延氏了基础I二程的工期。为此,有必要把上部结构、桩基础 与十.三者进行整体的共同作用分析。第一章绪论土与结构的共同作用问题是个无穷维的超静定问题,即使是弹性地基上的 梁板问题构成了该领域中最经典的课题。由于计算机和计算技术的飞跃发展,特 别是大型结构的子结构分析方法的进展,特别是大型结构的子结构分析方法的进 展,才使得建筑结构与筏基和地基的共同作用分析成为可能。国内外高层建筑物 的大量建造和中富的工程经验极大地推动了该领域的研究,取得了许多理论和应 用成果。研究成果直接用于建筑工程实践的最大困难在于地基模型简单
25、地取为线 性模型,使得基地反力分布与实测相差甚远。分析表明,对F上部结构与基础结 构刚度很大的情况,共同作用分析中关键是引入地基土的非线性模型。对柔性基 础特别是混凝土铺面,应首先考虑钢筋混凝土结构的非线性,地基上取为弹性影 响不大;但对于刚度大的结构,例如高层建筑结构,共同作用分析中当务之急是 引入地基上的非线性,即考虑地基十.的非线性性状是分析结构物与班筏基础和地 基共同作用的关键问题。1.2 国内外研究现状与成果1.2.1 共同作用问题1.2.1.1 共同作用性状研究上部结构与地基共同作用研究一般认为始于1947年,Me ye rh o*】提出了框 架与土共同作用的概念,并根据上部框架结
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