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高层钢结构交错桁架体系与地基基础共同作用研究

蒋建国  
【摘要】: 高层钢结构交错桁架体系作为一种新型建筑结构体系,其理论研究与工程实践尚处在初级阶段。高层钢结构交错桁架体系与地基基础的共同作用研究课题在国内外尚属空白,作为国家自然科学基金资助项目(批准号50078021)中子课题的一部分,本论文重点研究考虑地基基础共同作用时交错桁架体系的静、动力性能,并利用有限元对交错桁架结构体系与地基基础三维模型受力性能进行数值分析。通过研究,本文得出交错桁架结构体系与地基基础共同作用的一些规律性结论,主要完成如下工作: 1)利用三维有限元计算弹性地基中不同类型的基础在水平力与竖向力作用下交错桁架体系的变形与内力。通过对交错桁架结构体系变形及内力的深入分析,本文首次提出考虑共同作用时交错桁架体系变形变化主要由弯矩及剪力变化引起,而轴力变化对其影响不大。对比分析了条形基础、筏板基础及桩筏基础等三种基础形式下土与交错桁架结构体系共同作用的反应,指出条形基础的交错桁架结构体系变形及内力会产生较大变化,桩筏基础的交错桁架体系变形与不考虑共同作用的常规计算结果较为接近。 2)利用三维有限元计算弹塑性地基中不同基础在水平力与竖向力作用下交错桁架体系的变形与内力。通过对比分析,本文认为水平力作用下交错桁架体系柱的轴力基本不变,弯距及剪力响应数值变化不大。竖直荷载作用下,与弹性地基计算结果比较,弯矩及剪力均存在不可忽略的变化,且不同形式基础其影响的程度基本相近。 3)首次推导了粘弹性地基中考虑桩头轴向力时单桩的水平动力阻抗函数,通过参数分析发现,轴向力对单桩动力阻抗刚度存在不可忽略的影响,当轴力较大时,计算单桩的动力阻抗以考虑轴力为宜。 4)首次推导了考虑轴向力时水平地震作用下和桩头动力作用下群桩动力相互作用因子,分析了轴向力对动力相互作用因子的影响程度。利用Matlab语言编程,实现群桩动力阻抗的计算,通过研究发现,轴向力仅仅影响群桩水平阻抗函数的数值,并不影响阻抗函数的频率。 5)明确了计算地基及桩筏基础共同作用时固有周期的计算方法,计 高层钢结构交错析架体系一与地基基础共同作用研究 算研究了交错析架体系柱脚固定时和地基及桩筏基础共同作用时体系的 各个固有周期。对比分析发现,体系前六阶振型中,考虑楼板弹性假定 的地基基础与结构共同作用对第三振型固有周期基本不存在影响,当地 基中的群桩考虑轴力时,其它固有周期增大在30%至60%之间,且不同 地基之间的差异变化较小。通过计算分析发现,考虑轴力的桩基础阻抗主 要影响前两个周期,当采用Relaigh阻尼的结构体系计算时考虑桩基础 轴力明显影响交错析架体系的动力特性。 6)按照结构体系与地基基础共同作用计算研究了水平地震作用下 交错析架与地基及桩筏基础位移反应与内力反应,通过对比分析表明, 考虑共同作用时交错析架体系顶层位移反应有所增大,各层最大速度反 应与加速度反应有了很大程度的缓和,最大层间位移不但数值较小,且 各层之间层间位移较为均匀,由此可知当按柱脚固定对交错析架体系进 行抗震核算时,将较大地夸大结构的层间位移反应和加大了地震作用数 值。考虑共同作用时,交错析架体系各柱内力包括最大轴力、最大弯矩、 最大剪力均减小,且内力的变化也更为和缓。


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