试论上部结构

【摘要】 由于上部结构、筏板基础和地基的共同作用模型涉及到很多方面的因素，因此分析起来比较复杂，介绍了如何通过ANSYS有限元软件对上部结构―筏板基础和地基的共同作用建立模型，以及对该模型进行综合分析的方法。

【关键词】 上部结构；筏板基础；地基；共同作用；地基优化

一、引言

随着我国经济的飞速发展，高层建筑作为城市现代化发展的标志之一，发展也非常迅速。而对高层建筑的设计中，对基础进行有效分析占有重要作用，尤其随着计算机水平的不断增强和数值计算手段的丰富，使得对上部结构―筏板基础和地基的共同作用的分析变的更为方便。本文基于笔者实践工作经验，介绍了如何通过ANSYS有限元软件对上部结构―筏板基础和地基的共同作用建立模型，以及对该模型进行综合分析的方法，希望可以为同类的工程实践提供借鉴意义。

二、上部结构、筏板基础和地基的共同作用概述

1、筏板基础概述

随着经济的发展和科学技术的进步，筏板基础逐渐成为高层建筑中一个重要的基础形式之一，具体来说，当地基承载力较低，上部建筑物荷载较大，必须将独立基础或条形基础底面加以扩大，从而形成一块整体连续的钢筋混凝土基础板，这块基础班便称之为筏板基础。筏板基础之所以成为高层建筑的一个重要基础形式，是因为其不仅可以满足软弱地基的承载力要求，有效减少基础沉降量，调整地基不均匀沉降，同时还还具有其他一系列明显的优势，比如具有较间接的施工方便等。

2、上部结构、筏板基础和地基的共同作用涵义

上部结构、筏板基础和地基的共同作用由于要对地基基础和上部结构的相互影响做综合的考虑，同时还要对建筑物中该三者的真实受力状况进行反映，近些年已经成为一个热门的研究话题。不过需要注意的是，由于涉及因素较多，因此，对共同作用的研究仍然存在着不少困难。上部结构、筏板基础和地基三个主要部分组成了一个完整的体系，它们在接触处不仅相互约束作用，而且又存在着传递荷载的作用。若独立来看，上部结构、筏板基础和地基三者要满足各自的静力平衡的基础上，还要在接触的地方满足变形协调和位移连续的条件。因此，对上部结构、筏板基础和地基三者的刚度要求就显得极为重要，在分析共同作用之前，需要对它们各自的刚度影响进行综合分析。以上部结构的两个极端情况（绝对刚性和绝对柔性）刚度对基础变形的影响为例，工程人员不仅要凭技术经验进行识别，还要通过相应的手段进行分析。

3、共同作用的分析方法

由于对上部结构、筏板基础和地基的共同作用需要进行整体的分析，笔者发现，采用子结构法可以取得更好的效果。因为子结构法可以在计算机与大型结构之间找到一个平衡，同时可以对施工期间由于结构的逐渐增加，荷载和刚度的变化对共同作用造成的影响进行有效的展示。

本文在选择了相应的分析方法和地基模型后，便是使用有限元分析软件ANSYS进行建模分析。采用有限元分析软件ANSYS建立框架结构、按板筏板基础和地基共同作用体系的三维分析模型，分析上部结构、筏板基础和地基刚度变化对按板基础内力和变形的影响。而对共同作用的分析，可以理解为上部结构、筏板基础和地基各自的刚度变化分别对其他两者所造成的影响。比如，改变上部结构刚度、筏板基础厚度或地基刚度变化等时，分析有限元分析软件ANSYS所输出的结果。

三、上部结构、筏板基础和地基的共同作用的分析

当前采用最多的上部结构便是框架结构，本文将详细介绍采用ANSYS对上部结构、筏板基础和地基的共同作用系统进行三维模型的建立方法，并对其进行详细分析。

单元选择。首先便是对单元模型的选择，比如，上部结构中的梁和柱选择最多的便是BEAM188单元来模拟，它是三维线性（2节点）单元。而筏板则经常采用实体单元S0LID45来模拟，壳单元采用SHELL63。本文需要分析的就是该三者之间的联系。

多点约束法。上部结构、筏板基础和地基组成的模型为三维连续体和板壳的结构，在进行分析时，可以将结构的一部分划分为实体单元，另一部分划分为梁、壳单元，这里重点是要对它们之间的连接问题进行研究，包括移位、协调等。实践分析，采用多点约束法，也即通过需要将进行连接的两部分定义为接触关系以此来建立连接对，再将接触单元的接触算法设置为MPC algorithm，并定义接触面行为为绑定，这样就可以实现不同单元之间的连接。

施工模拟法。可以采用ANSYS软件的单元生死技术在进行施工模拟，以达到分析共同作用下上部结构逐层加载技板沉降和应力的分布规律。首先，要建立完整的分析模型，并重点对第一荷载步进行定义。其次，在其余荷载步中按照设计好的流程将单元杀死或激活，最后查看获取的结果。

结构的非线性分析。通过ANSYS强大的分析功能，可以进行结构的非线性分析。在上部结构、筏板基础和地基的共同作用模型中，可以对其几何非线性、材料非线性和状态的非线性三种非线性状态进行分析。采用的分析方法主要有直接迭代法，简单增量法以及自校正增量法，Nevrton-Raphson方法，修正的N-R方法，弧长法等。可以根据实际情况进行选择。

四、地基刚度的优化处理

由于差异沉降是导致基础和上部结构内力增大、筏板厚度和配筋增加的根源，因此，对其进行优化设计显得尤为必要。实践可知，对地基刚度的优化可以取得更好的效果，传统的方法只是在基础板下增加刚度垫层，而笔者认为，基础的沉降特性以及内力分布与不同的地基处理方案有很大的关系，为了能有效地减小基础的差异沉降值和后板的内力值，同时为了减小对上部结构的不利影响以及基础的工程造价，选择合理的地基处理方法是非常重要的。通过调整地基基础在结构平面内的刚度分布，使建筑物在能满足安全性以及实用性的同时还能材料的性能得以充分发挥，同时具备以上特点的地基处理方案是最好的。

根据笔者工程经验，采用换填法调整地基在建筑物平面内和深度方向的刚度分布，也就是说通过对人工地基中匀质地基加固区的优化，可以得到一个最优的地基处理方案。根据试验结果分析，采用该种方法，不仅使筏板基础的最大沉降和平均沉降均有所减小，而且优化了筏板基础的受力性能，在经济性和技术性方面都具有可行性。

五、结语

由于篇幅有限，本文只是对高层建筑的上部结构、筏板基础以及地基共同的作用模型体系分析方法进行了明确，在工程实践中还需要结合工程实际选择更合适的模型、更合适的方法进行分析，以使其获取的结果更加贴近现实。

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