劉青麗

(大同市永泰廣場，山西大同 037000)

在土體約束作用下整體框架計算模型的確定

劉青麗

(大同市永泰廣場，山西大同 037000)

基于土體對上部框架的約束作用，分別建立了三種計算模型，在地震作用下考慮最大反應力、最大剪力、最大彎矩、最大位移、最大層位移角五個指標，通過三種計算結果的對比分析，得出模型二，三的計算值均大于模型一的值，由于模型一與模型二，三在水平力作用下整體計算結果相差較大，故采用模型一進行結構整體計算分析是不合適的。

框架結構，土體，計算模型，地震力

在土體對上部框架的約束作用下，尋求一種能滿足一定工程精度要求，而又相對簡單的框架結構受力分析計算方法，對結構設計者來說，是很重要的問題。它不僅關系到結構中某些構件內力分配的準確性，而且還關系到求解結構側向位移的真實性以及結構局部的經濟性。簡而言之，土體約束直接影響到結構體系的受力和變形狀態(tài)，正確地考慮土體對上部結構的影響，對保證結構體系的可靠性具有重要意義。

1 計算模型

1)第1種計算模型:以地梁處為框架底層嵌固點，不計地梁以下部分，即將土中地梁層結構與土的共同作用看成是一個剛體。本文按七層框架建模計算。本文采用中國建筑科學研究院開發(fā)的《多層及高層建筑結構空間有限元之分析與設計軟件》(Satwe軟件)軟件運算分析。

2)第2種計算模型:將地梁下土中的結構作為一個結構層，加入到框架整體中進行計算分析，但不考慮土體的約束作用。按八層框架建模計算。本文采用中國建筑科學研究院開發(fā)的《多層及高層建筑結構空間有限元之分析與設計軟件》(Satwe軟件)軟件運算分析。

3)第3種計算模型:與第2種計算模型一樣，將地梁下土中的結構作為一個結構層，加入到框架整體中進行計算分析?？紤]土體的約束作用，即按本文研究的方法——以等效柱考慮土體約束的框架結構分析計算?？蚣懿捎弥袊ㄖ茖W研究院開發(fā)的《多層及高層建筑結構空間有限元之分析與設計軟件》(Satwe軟件)軟件運算分析。

2 工程實例

2.1 宿舍樓設計概況

1)某單位宿舍樓主體建筑為6層，局部兩個樓梯間出屋面，屋面為上人屋面，總計7層。主體建筑層高為3.6 m。主體總高度為21.6 m+0.45 m(0.45為底層室內外高差)，建筑總高度為25.35 m?？偨ㄖ娣e為3 628 m2。

2)建筑物所在場地標高低于場地邊的城市交通干道面標高約1.5 m。原場地整體標高需填土抬高至與城市交通干道面平。

3)該宿舍樓為7度抗震區(qū)，按7度三級抗震設防。所在地區(qū)基本風壓值為0.75 kN/m2。經初步估算，該樓最大柱底軸壓力為2 400 kN。

4)宿舍樓樓板厚100 mm，屋面板厚110 mm。底層框架柱截面尺寸分別為b×h=400×500，400×450，500×300，400×550四種。結構均采用C25混凝土。

5)從造價的經濟上考慮，建設單位要求盡量不要采用樁基及片筏基礎。由于素填土層承載力較底，故不宜做持力層。經估算、比較，該工程采用柱下獨立基礎。以②卵石層為持力層?；A底進入持力層約200 mm?；A埋深相對于原場地面約2.7 m。相對于填土后的埋深約為4.2 m。在填土后的地面處，沿建筑物X向、Y向設地梁，地梁截面斷面尺寸同樓面梁，地梁層不設板。

6)基礎部分施工完畢后(包栝地梁)，基坑填土及整個場地1.5 m高的填土，均采用場地附近一小山包的砂質土，該砂質土以細砂含量為主。填土要求分層碾壓或夯實，填土密度要求達到94%以上。

7)考慮到本宿舍樓在地梁層處未設樓板，該地梁層板厚需設0，并按彈性板設置，本工程采用中國建科院開發(fā)的PKPM系列的Satwe軟件進行結構計算。

2.2 宿舍樓的工程地質概況

根據(jù)鉆探揭示，場地分布的地層自上而下為:素填土，卵石土層，殘積粘性土層，強風化花崗巖，中風化花崗巖?，F(xiàn)分述如下:

①素填土層:淺灰，灰黃。干～稍濕，中密狀。成分為粘性土及砂粒。平均厚度為2.5 m。為人工填土，堆填時間約為10年以上。其承載力特征值為120 kPa。

②卵石土層:灰黃，灰色。濕～飽和，中密～密實狀。卵石含量約為65%。半徑一般為40 mm～100 mm。成分以中風化凝灰熔巖為主，呈次圓狀，砂礫充填，分布廣泛，揭露6.1 m～10.5 m。其承載力為400 kPa。屬低壓縮性土。

③殘積粘性土:灰黃色，濕～飽和狀態(tài)，可塑。屬中低壓縮土，厚度5 m～8.5 m，其承載力特征值為200 kPa。樁基性能較差。

④強風化花崗巖層:褐黃色，灰綠色，巖芯層上部呈砂土狀，層位下部呈碎石狀，屬低壓縮性土。埋藏較深，厚度較薄。層厚2.6 m～3.9 m。承載力特征值為400 kPa。樁基工程性質一般。

⑤中風化花崗巖層:灰白，灰黃色。堅硬，花崗結構，塊狀構造。樁基工程地質性能較好。承載力特征值為1 500 kPa。本次未揭穿，厚度6.5 m以上。

2.3 第三種計算模型的具體做法

1)根據(jù)文獻［1］所列的表格，得如表1所示地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值:

m法中的m值(土水平抗力比例系數(shù))可通過試驗或文獻［2］［3］中的表格查得，表格同一項中，當土質強度高時取較大值，反之取較小值。當?shù)鼗翞槎鄬油習r，m值取法可參照文獻［4］所建議的采用比例系數(shù)換算法。

表1 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值

由表1查出中密填土層及稍密細砂土層的地基水平抗力比例系數(shù)m值為:預制樁、鋼樁6.0 MN/m2～10.0 MN/m2，灌注樁為14 MN/m4～35 MN/m4。由于預制樁施工時具有擠土效應，而土中柱施工時無此效應，故土中柱近似按灌注樁指標取值，現(xiàn)取灌注樁指標14 MN/m4～35 MN/m4中的30 MN/m4進行計算。

2)根據(jù)等效剛度柱公式:

對該宿舍樓地梁結構層柱(即土中柱)進行等效柱截面尺寸換算。本實例土中柱的長度(自地梁中點至獨基面的長度)為3.5 m。C25混凝土的彈性模量為:E=2.8×104N/mm2=2.8× 107kN/m2。

400×500柱的等效剛度柱折算: X方向:

得:h0=0.556 m，取h0=0.560 m。

Y方向:

得:b0=0.480 m，取b0=0.480 m。

故400×500柱的等效柱截面尺寸為:b0×h0=480×560。

同樣的計算得:400×450柱的等效柱截面尺寸為:b0×h0= 480 mm×520 mm;500×300柱的等效柱截面尺寸為:b0×h0= 560 mm×420 mm;400×550柱的等效柱截面尺寸為:b0×h0= 480 mm×600 mm。

3)將上述換算得出的地梁層柱的等效柱層，作為一層結構(底層)加入到上部整體結構中，通過Satwe軟件進行運算分析。

3 實例計算結果的比較

各模型在水平力作用下整體性計算結果比較見表2～表4。

4 結語

以上各模型在水平力作用下整體性計算結果的比較歸納如下。

表2 模型一與模型二在水平力作用下整體計算結果

表3 模型一與模型三在水平力作用下的整體計算結果

表4 模型二與模型三在水平力作用下的整體計算結果

1)模型一(即不計土中地梁結構層，底部嵌固點按位于地梁處，按7層計算)與模型二(即將土中地梁結構層作為一層結構層，加入到整體結構，底部嵌固點按位于基礎面處，8層計算)，分別在地震力作用下，按最大反應力、最大剪力、最大彎矩、最大位移、最大層位移角五個指標相比，其大部分相差值(絕對相差值或相對相差值)較大。且模型二的計算值均大于模型一的值。

2)同樣，模型一與模型三(與模型二不同之處僅在于考慮了地梁結構層的土體約束作用)相比，其大部分相差值較大，且模型三的計算值大于模型一的值。

3)模型二與模型三相比，除了在地震作用下最大彎矩值的絕對相差值較大外，其他值相差均不大。

4)由于模型一與模型二，三在水平力作用下整體計算結果相差較大，故采用模型一進行結構整體計算分析是不合適的。

5)結構的位移較小。這體現(xiàn)在文獻［2］［4］對建筑物水平位移的限制和文獻［5］對樁頂水平位移的限制。

［1］ 韓理安.水平承載樁的計算［M］.長沙:中南大學出版社，2004.

［2］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術規(guī)范［S］.

［3］ JTJ 024—85，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范［S］.

［4］ JGJ 3—2002，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.

［5］ GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

Determine the overall framework of the model under the constraints of the role of soil

Liu Qingli

(Yongtai Square from Datong，Datong 037000，China)

Under the constraints of the soil on the upper frame，three calculation models are established respectively，which are the maximum stress，the maximum shear force，the maximum bending moment，the maximum displacement and the maximum displacement angle under seismic action considering the five indicators.Through the comparison and analysis of three kinds of calculation results，the calculated values of model two and three are greater than the value of model one.As the model one and model two，three in the horizontal force under the action of the overall results are quite different，so the use of model one for the overall structure of the calculation is not appropriate.

framework，soil，calculation model，seismic force

TU311.4

A

1009-6825(2016)35-0037-03

2016-10-08

劉青麗(1969-)，女，工程師