某高层办公楼上下部共同作用的有限元分析

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对建于软土地基上的高层建筑,若结构分析采用传统的简化计算方法常常不是给工程造成浪费就是产生安全隐患,只有采用共同作用分析方法,将上部结构、基础与地基三者作为一个受力的整体系统进行分析,才能比较真实地反映其实际工作状态,使设计既安全又经济。由于问题的复杂性,对上部结构、基础与地基的共同作用问题的研究始终受到国内外土木工程界的高度重视。近年来,有限元法和子结构法等计算方法的成熟、大型通用有限元软件的开发和计算机硬件的快速发展为这一课题的研究提供了可能。本文采用通用有限元分析软件ANSYS,对某高层办公楼(框架—剪力墙结构)分别建立了简化计算和共同作用分析的有限元模型。首先进行了重力荷载、风荷载和水平地震作用下两个模型的变形和内力结果对比;然后通过变化共同作用分析模型的地基变形模量、筏板厚度和上部结构刚度来探讨框架—剪力墙结构共同作用的机理。通过计算分析,得出以下结论:1,在重力荷载作用下,考虑共同作用后,框架的中柱轴力减小而边柱轴力增大,即产生边柱增荷效应,而且上部结构的次内力随着楼层的增高而减小。2,在风荷载作用下,考虑共同作用后,结构整体侧移增大,表明结构整体刚度减小;框架承担的剪力比例增大,表明框架在整体结构中的贡献作用增强,框架内力增大。3,模态分析表明,考虑共同作用后,整体结构不仅自振周期增大而且振型会发生改变,如本工程实例中,第一自振周期的振型在简化计算模型中表现为X向一阶,而在共同作用分析模型中为Y向一阶。4,水平地震作用下,考虑共同作用后,结构总地震力减小,框架承担的地震力比例增大,剪力墙承担的地震力明显下降。5,在上部结构刚度、基础刚度不变的情况下,当地基变得软弱时(变形模量Es减小),基础的差异沉降增大,导致基础的整体弯曲内力和上部结构的次内力增大,表现为边柱增荷效应增强。6,在上部结构刚度、地基刚度不变的情况下,当基础刚度增大(筏板厚度加大)时,基础的差异沉降减小,上部结构的次内力减小,但是基础内力增大。7,在地基刚度、基础刚度不变的情况下,当上部结构刚度增大时,基础的差异沉降减小,但上部结构的刚度贡献是有限的。因此,软土地基上的高层建筑在结构概念设计和结构计算中应当考虑共同作用的影响,以便在结构和构件的设计中采取技术措施,使得结构设计更安全、更经济。本文的研究成果对类似工程的结构分析和设计具有较好的参考价值。
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