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考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性分析
作 者: 张鹤年
导 师: 宰金珉
学 校: 南京工业大学
专 业: 岩土工程
关键词: 上部结构 群桩与土和承台及上部结构非线性共同作用 广义剪切位移法 子结构法 有限层法 空间框架单元 平面壳体单元 布桩方式
分类号: TU473.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2005年
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内容摘要
随着房屋建筑的大量兴建和计算机技术的迅速发展,上部建筑与地基基础的共同作用问题已受到工程界的广泛重视.由于计算手段的制约,在建筑结构设计时,先把上部结构隔离出来,把基础视为绝对刚性支座,求出上部结构的内力、变形;再把地基反力作用在桩或地基上来设计桩或校核地基强度和变形.由于没有考虑基础沉降差引起上部结构的次应力,使上部结构的设计偏于不安全;而由于没有靠虑上部结构刚度的影响,基础的内力被高估.因而这种常规设计方法与建筑物实际工作性状不相符.虽然当前已有考虑桩筏非线性的设计,但仍无人在此基础上,考虑上部结构。因此考虑上部结构,进一步认识上部结构与筏基及桩基和地基土非线性共同作用机制,优化设计桩筏基础,具有重要的现实意义。 本文在分析国内外相关研究成果的基础上,建立了一种考虑上部结构的上部结构-桩筏基础—地基非线性共同作用分析方法:以子结构法凝聚上部结构的荷载及刚度,以平面壳体单元模拟筏板,按有限层法模拟桩土之间的弹性相互作用,用广义剪切位移法模拟桩的非线性工作性状,用CUT—OFF方法对筏底土的极限状态进行限制。编制了基于上述分析方法考虑上部结构及筏基实际刚度和桩的非线性的共同作用分析程序。 本文深入分析了上部结构对非线性共同作用的影响。考虑上部结构,将降低土反力最小值,降低平均土反力,使筏底土反力分布更不均匀。并将减小基础沉降的最大值和沉降差,尤其对降低沉降差有明显作用。 共同作用的效应在上部结构上表现为,边柱因挤压而加载,中柱因拉伸而卸载,从而改变了上部结构内力分布.同一层柱加载与卸载的代数和为零。考虑共同作用后,弯矩和剪力都比常规法较大。可见,在上部结构中产生了可观的次应力,在设计中如不加以考虑,结构在使用过程中可能产生开裂现象. 研究了合理布桩方式,探讨了以零差异沉降为目标的优化设计的可能途径。合理调整桩长、桩径,在荷载大的地方(筏板中央区域)布置长而粗的桩,在荷载小的地方(筏板边缘区域)布置短而细的桩,并考虑上部结构参与共同作用后,可以在不使上部结构产生可观的次应力的情况下,使得筏板的差异沉降很小,直至趋近于零。 大型工程实例的模拟与对比分析证明了本文方法的可行性和计算程序的实用性,进一步验证了非线性复合桩基设计时考虑上部结构的必要性。
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全文目录
摘要 4-6 ABSTRACT 6-10 第一章 绪论 10-25 §1.1 问题的提出及其研究意义 10-11 §1.2 国内外研究现状与成果 11-20 §1.2.1 共同作用问题 11-15 §1.2.2 桩筏基础研究 15-20 §1.3 本文研究方法和目的以及内容 20-25 §1.3.1 本文研究方法和目的 20-23 §1.3.2 本文研究内容 23-25 第二章 考虑上部结构共同作用的桩筏基础非线性数值分析 25-38 §2.1 筏板模拟 25-27 §2.1.1 平面应力单元 25-26 §2.1.2 薄板弯曲单元 26 §2.1.3 平面壳体单元 26-27 §2.1.4 板中应力与弯矩分析 27 §2.2 上部结构的有限元分析 27-32 §2.2.1 刚度方程的形成 27-31 §2.2.2 子结构凝聚 31-32 §2.3 广义剪切位移法 32-37 §2.4 有限层方法 37-38 第三章 单桩非线性分析 38-47 §3.1 有限层与有限元分割 38-39 §3.2 桩身平衡方程的建立 39 §3.3 桩侧与桩端土位移的计算 39-43 §3.3.1 桩侧与桩端土的弹性位移 40 §3.3.2 桩侧土的塑性剪切位移 40-42 §3.3.3 桩端土的塑性位移 42-43 §3.4 桩土非线性共同作用方程 43-44 §3.5 计算与实例对比 44-47 §3.5.1 计算参数的取值 44-45 §3.5.2 计算结果 45-47 第四章 群桩与土和承台及上部结构非线性共同作用的数值分析方法 47-55 §4.1 广义剪切位移法对低承台桩基的适用性 47-48 §4.2 桩土支承体系的分割 48-50 §4.3 共同作用的基本方程 50-53 §4.4 桩顶反力、桩侧摩阻力、桩端阻力和筏板底土反力及上部结构内力的计算 53 §4.5 计算步骤 53-55 第五章 考虑上部结构的桩筏非线性共同作用模拟与布桩优化分析 55-75 §5.1 算例分析 55-57 §5.2 成果分析 57-75 第六章 工程实例的模拟与分析 75-96 §6.1 设计方案 75-82 §6.1.1 工程概况 75-76 §6.1.2 工程地质条件 76-78 §6.1.3 按复合桩基设计方法和塑性支承桩进行工程设计 78-82 §6.2 简化模拟的方法与结论 82-96 §6.2.1 单桩模拟 82-83 §6.2.2 桩筏基础模拟 83-91 §6.2.3 上部结构模拟 91-96 第七章 结论与展望 96-98 §7.1 结论 96-97 §7.2 展望 97-98 参考文献 98-105 致谢 105
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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 土力学、地基基础工程 > 地基基础 > 桩基及深基础 > 桩基
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