高层建筑-基础-地基共同作用数值模拟研究

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本文结合两个工程实例,对其静力性能、动力特性、地震作用和抗风性能等进行了研究。 应用子结构法理论,将上部结构刚度矩阵凝聚到基础,同时将采用D-P模型的地基土体弹塑性刚度矩阵也凝聚到基础上,建立了考虑上部结构、基础、地基共同作用的数值计算方法。利用此方法建立某工程框架结构裙楼-框架芯筒结构主楼-基础-地基共同作用三维FEM模型,通过ANSYS程序对此模型进行数值模拟。结果表明,主楼结构的柱、梁应力在考虑共同作用比不考虑共同作用有增大趋势,群楼柱轴应力在考虑共同作用比不考虑共同作用小,而群楼梁弯应力却相反。并进一步分析得出考虑共同作用基础沉降差引起上部结构杆件应力重新分布,尤其是基础沉降差引起主楼的柱轴应力、梁弯应力的变化率大于群楼柱轴应力、梁弯应力的变化率的结论,该结论对以后工程设计有重要参考价值。 从理论上研究上部结构-基础-地基共同作用体系的动力特性。结合工程实例,通过高层建筑.基础.地基共同作用的结构模拟,计算不同地基土层分布下结构自振频率、自振周期与振型阶数之间的关系,并提出考虑共同作用结构体系的动力简化模型,此模型对超高层建筑抗震设计的动力特性分析有重要参考价值。 针对高层建筑上部结构.基础一地基共同作用体系在地震作用下时域响应,编制了混凝土、钢筋、钢框架的恢复力本构模型及滞回规则的程序,并采用Mohr-Coulomb相匹配Drucker-Prager准则描述岩土非线性特性,建立了地震激励下高层建筑结构与基础地基共同作用的三维弹塑性数值模型。考虑基础与地基的非线性接触,土体边界的粘滞阻尼效应。结合大连远洋大厦(A座)工程实例,对高层建筑结构与基础地基的共同进行动力特性、弹塑性时程分析。结果表明,考虑共同作用后结构动力特性和构件力学性能发生明显变化,并得出结构体系在考虑共同作用情况下与不考虑共同作用下相比,单向输入地震波对结构影响大于双向、三向输入地震波对结构的影响,考虑共同作用后,自振周期延长,层间位移增大,层间加速度增大,底部剪力和底部弯矩均增大的结论。 采用谐波叠加法(WAWS法),同时考虑脉动风空间相干性,对随高度变化的simiu风谱按时间抽取快速离散傅里叶变换(DIT-FFT)原理进行风速时域模拟。并将风速转化成风荷载加到计算模型,比较了考虑共同作用与不考虑工作用情况下风致振动时域分析,得出考虑共同作用后,在50s以前计算模型的位移、加速度比上部结构大,在50秒以后考虑共同作用的位移、加速度开始变小的结论。风速模拟
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