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考虑接触效应的土—桩筏—上部结构的有限元分析

作　者: 俞轩
导　师: 郭小刚
学　校: 湘潭大学
专　业: 结构工程
关键词: 常规设计土-桩筏-上部结构模型共同作用有限元分析接触分析
分类号: TU47
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

桩筏基础在高层建筑物的基础中广泛应用，其既具桩基础的优点，承载力高，减小沉降，而且具有筏板基础能够调节不均匀沉降，扩大地下空间的使用的优点。常规设计中一般把上部结构、桩筏、地基分别计算，只考虑力的平衡条件，但是实际工程中三者相互作用，还存在位移平衡，即位移协调，而且实际结构的变形引起结构的内力重分布。桩筏基础与土体是不同的材料，在交界面上存在着接触，接触分析则能真实反映桩与土、筏板与土的工作性状。本文主要包括理论分析和有限元分析方面。在查阅了大量国内外文献和工程、实验数据的基础上，总结了土的本构关系、桩土接触计算的发展，单独分析了一个桩土模型与一个框架-筏板-Winkler模型，最后设计了考虑与不考虑共同作用的土-桩筏-上部结构的模型，并利用ANSYS有限元分析软件进行建模和分析（有限元分析增加了接触问题，分析了群桩桩侧与桩底、筏板底与土的接触），分析比较了梁柱内力；筏板的沉降、弯矩；桩基沉降差异，最后比较了并探讨各种因素变化（上部结构层数；梁、柱、桩筏混凝土弹性模量；土体的弹塑性参数）对共同作用的影响；得出：（1）考虑共同作用时柱子出现边柱加载，中柱卸载的情况，考虑与不考虑共同作用时梁的弯矩与剪力，也发生显著的变化；（2）共同作用时，上部结构能够调节筏板的不均匀沉降，但对平均沉降影响不大；对于筏板弯矩，常规设计甚至比共同作用弯矩要大；（3）考虑共同作用时，桩间的沉降差要比不考虑共同作用要小；（4）变化上部结构、桩筏基础、土体三者刚度，三部分内力与变形也发生相应改变。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 问题的提出及研究意义  9-11
    1.1.1 高层及多层建筑基础理论、设计和分析的发展  10
    1.1.2 上部结构与地基基础相互作用的研究意义  10-11
  1.2 国内外的研究现状及研究方法  11-19
    1.2.1 桩基的研究现状及方法  11-13
    1.2.2 筏板的研究现状及方法  13
    1.2.3 桩筏基础的研究现状及方法  13-15
    1.2.4 上部结构-地基-基础间相互作用的研究现状及方法  15-17
    1.2.5 接触效应的研究现状及方法  17-19
  1.3 本文的主要研究思路及主要工作内容  19-20
    1.3.1 研究思路  19
    1.3.2 主要工作内容  19-20
第2章上部结构-桩筏-土相互作用的机理分析  20-43
  2.1 上部结构-桩筏-土相互作用的概念  20
  2.2 上部结构-桩筏-土共同作用分析理论  20-27
    2.2.1 上部结构的分析模式  20-22
    2.2.2 筏基础的分析模式  22-24
    2.2.3 桩体的分析模式  24-27
  2.3 地基模型及参数的确定  27-35
    2.3.1 线弹性地基模型  27-29
    2.3.2 弹性非线性地基模型  29-30
    2.3.3 弹塑性地基模型  30-34
    2.3.4 地基模型的选择及地基模量的确定  34-35
  2.4 结构共同工作的性状分析  35-36
    2.4.1 上部结构刚度对共同作用的影响  35-36
    2.4.2 基础刚度对共同作用的影响  36
  2.5 共同作用的分析方法  36-37
  2.6 算例 1  37-43
    2.6.1 模型的建立  37-38
    2.6.2 上部结构内力分析  38-40
    2.6.3 筏板基础的分析  40-43
第3章接触问题  43-50
  3.1 土与结构接触问题的力学机理  43-45
    3.1.1 接触问题的一般力学描述  43-44
    3.1.2 接触问题的分析方法  44-45
  3.2 接触问题的有限元计算方法  45-50
    3.2.1 接触问题的有限元基本方程  46-47
    3.2.2 接触本构模型  47-50
第4章有限元的建模与分析的实现  50-58
  4.1 有限元的基本理论及 ANSYS 简介  50
    4.1.1 概述  50
    4.1.2 ANSYS 简介  50
  4.2 有限元的分析步骤  50-51
  4.3 相互作用的非线性有限元分析  51-53
    4.3.1 筏板的有限元分析  51-52
    4.3.2 非线性问题的计算方法  52-53
  4.4 接触问题的有限元计算方法及实现  53-58
    4.4.1 概述  53-54
    4.4.2 面-面接触分析  54-55
    4.4.3 算例 2  55-58
第5章上部结构-桩筏-土的数值分析  58-78
  5.1 ANSYS 模型的建立  58-60
    5.1.1 单元的选取  58
    5.1.2 结构单元之间的耦合处理  58
    5.1.3 模型的参数选取  58
    5.1.4 分析模型  58-60
  5.2 考虑共同作用设计方法与常规方法的比较  60-68
    5.2.1 上部结构内力差异  60-64
    5.2.2 筏板基础的内力与变形差异  64-66
    5.2.3 桩的内力与变形的差异  66-67
    5.2.4 共同作用时桩土荷载的分担比  67-68
  5.3 参数分析  68-78
    5.3.1 上部结构改变  68-70
    5.3.2 桩筏基础的变化改变  70-71
    5.3.3 土体参数改变  71-78
第6章结论与展望  78-80
  6.1 本文的工作总结  78-79
  6.2 对未来研究工作的展望  79-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
在学期间发表的学术论文及研究成果  85

考虑接触效应的土—桩筏—上部结构的有限元分析

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