在土体约束作用下整体框架计算模型的确定

刘青丽

(大同市永泰广场，山西大同 037000)

在土体约束作用下整体框架计算模型的确定

刘青丽

(大同市永泰广场，山西大同 037000)

基于土体对上部框架的约束作用，分别建立了三种计算模型，在地震作用下考虑最大反应力、最大剪力、最大弯矩、最大位移、最大层位移角五个指标，通过三种计算结果的对比分析，得出模型二，三的计算值均大于模型一的值，由于模型一与模型二，三在水平力作用下整体计算结果相差较大，故采用模型一进行结构整体计算分析是不合适的。

框架结构，土体，计算模型，地震力

在土体对上部框架的约束作用下，寻求一种能满足一定工程精度要求，而又相对简单的框架结构受力分析计算方法，对结构设计者来说，是很重要的问题。它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还关系到求解结构侧向位移的真实性以及结构局部的经济性。简而言之，土体约束直接影响到结构体系的受力和变形状态，正确地考虑土体对上部结构的影响，对保证结构体系的可靠性具有重要意义。

1 计算模型

1)第1种计算模型:以地梁处为框架底层嵌固点，不计地梁以下部分，即将土中地梁层结构与土的共同作用看成是一个刚体。本文按七层框架建模计算。本文采用中国建筑科学研究院开发的《多层及高层建筑结构空间有限元之分析与设计软件》(Satwe软件)软件运算分析。

2)第2种计算模型:将地梁下土中的结构作为一个结构层，加入到框架整体中进行计算分析，但不考虑土体的约束作用。按八层框架建模计算。本文采用中国建筑科学研究院开发的《多层及高层建筑结构空间有限元之分析与设计软件》(Satwe软件)软件运算分析。

3)第3种计算模型:与第2种计算模型一样，将地梁下土中的结构作为一个结构层，加入到框架整体中进行计算分析。考虑土体的约束作用，即按本文研究的方法——以等效柱考虑土体约束的框架结构分析计算。框架采用中国建筑科学研究院开发的《多层及高层建筑结构空间有限元之分析与设计软件》(Satwe软件)软件运算分析。

2 工程实例

2.1 宿舍楼设计概况

1)某单位宿舍楼主体建筑为6层，局部两个楼梯间出屋面，屋面为上人屋面，总计7层。主体建筑层高为3.6 m。主体总高度为21.6 m+0.45 m(0.45为底层室内外高差)，建筑总高度为25.35 m。总建筑面积为3 628 m2。

2)建筑物所在场地标高低于场地边的城市交通干道面标高约1.5 m。原场地整体标高需填土抬高至与城市交通干道面平。

3)该宿舍楼为7度抗震区，按7度三级抗震设防。所在地区基本风压值为0.75 kN/m2。经初步估算，该楼最大柱底轴压力为2 400 kN。

4)宿舍楼楼板厚100 mm，屋面板厚110 mm。底层框架柱截面尺寸分别为b×h=400×500，400×450，500×300，400×550四种。结构均采用C25混凝土。

5)从造价的经济上考虑，建设单位要求尽量不要采用桩基及片筏基础。由于素填土层承载力较底，故不宜做持力层。经估算、比较，该工程采用柱下独立基础。以②卵石层为持力层。基础底进入持力层约200 mm。基础埋深相对于原场地面约2.7 m。相对于填土后的埋深约为4.2 m。在填土后的地面处，沿建筑物X向、Y向设地梁，地梁截面断面尺寸同楼面梁，地梁层不设板。

6)基础部分施工完毕后(包栝地梁)，基坑填土及整个场地1.5 m高的填土，均采用场地附近一小山包的砂质土，该砂质土以细砂含量为主。填土要求分层碾压或夯实，填土密度要求达到94%以上。

7)考虑到本宿舍楼在地梁层处未设楼板，该地梁层板厚需设0，并按弹性板设置，本工程采用中国建科院开发的PKPM系列的Satwe软件进行结构计算。

2.2 宿舍楼的工程地质概况

根据钻探揭示，场地分布的地层自上而下为:素填土，卵石土层，残积粘性土层，强风化花岗岩，中风化花岗岩。现分述如下:

①素填土层:浅灰，灰黄。干～稍湿，中密状。成分为粘性土及砂粒。平均厚度为2.5 m。为人工填土，堆填时间约为10年以上。其承载力特征值为120 kPa。

②卵石土层:灰黄，灰色。湿～饱和，中密～密实状。卵石含量约为65%。半径一般为40 mm～100 mm。成分以中风化凝灰熔岩为主，呈次圆状，砂砾充填，分布广泛，揭露6.1 m～10.5 m。其承载力为400 kPa。属低压缩性土。

③残积粘性土:灰黄色，湿～饱和状态，可塑。属中低压缩土，厚度5 m～8.5 m，其承载力特征值为200 kPa。桩基性能较差。

④强风化花岗岩层:褐黄色，灰绿色，岩芯层上部呈砂土状，层位下部呈碎石状，属低压缩性土。埋藏较深，厚度较薄。层厚2.6 m～3.9 m。承载力特征值为400 kPa。桩基工程性质一般。

⑤中风化花岗岩层:灰白，灰黄色。坚硬，花岗结构，块状构造。桩基工程地质性能较好。承载力特征值为1 500 kPa。本次未揭穿，厚度6.5 m以上。

2.3 第三种计算模型的具体做法

1)根据文献［1］所列的表格，得如表1所示地基土水平抗力系数的比例系数m值:

m法中的m值(土水平抗力比例系数)可通过试验或文献［2］［3］中的表格查得，表格同一项中，当土质强度高时取较大值，反之取较小值。当地基土为多层土时，m值取法可参照文献［4］所建议的采用比例系数换算法。

表1 地基土水平抗力系数的比例系数m值

由表1查出中密填土层及稍密细砂土层的地基水平抗力比例系数m值为:预制桩、钢桩6.0 MN/m2～10.0 MN/m2，灌注桩为14 MN/m4～35 MN/m4。由于预制桩施工时具有挤土效应，而土中柱施工时无此效应，故土中柱近似按灌注桩指标取值，现取灌注桩指标14 MN/m4～35 MN/m4中的30 MN/m4进行计算。

2)根据等效刚度柱公式:

对该宿舍楼地梁结构层柱(即土中柱)进行等效柱截面尺寸换算。本实例土中柱的长度(自地梁中点至独基面的长度)为3.5 m。C25混凝土的弹性模量为:E=2.8×104N/mm2=2.8× 107kN/m2。

400×500柱的等效刚度柱折算: 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为:b0×h0=480×560。

同样的计算得:400×450柱的等效柱截面尺寸为:b0×h0= 480 mm×520 mm;500×300柱的等效柱截面尺寸为:b0×h0= 560 mm×420 mm;400×550柱的等效柱截面尺寸为:b0×h0= 480 mm×600 mm。

3)将上述换算得出的地梁层柱的等效柱层，作为一层结构(底层)加入到上部整体结构中，通过Satwe软件进行运算分析。

3 实例计算结果的比较

各模型在水平力作用下整体性计算结果比较见表2～表4。

4 结语

以上各模型在水平力作用下整体性计算结果的比较归纳如下。

表2 模型一与模型二在水平力作用下整体计算结果

表3 模型一与模型三在水平力作用下的整体计算结果

表4 模型二与模型三在水平力作用下的整体计算结果

1)模型一(即不计土中地梁结构层，底部嵌固点按位于地梁处，按7层计算)与模型二(即将土中地梁结构层作为一层结构层，加入到整体结构，底部嵌固点按位于基础面处，8层计算)，分别在地震力作用下，按最大反应力、最大剪力、最大弯矩、最大位移、最大层位移角五个指标相比，其大部分相差值(绝对相差值或相对相差值)较大。且模型二的计算值均大于模型一的值。

2)同样，模型一与模型三(与模型二不同之处仅在于考虑了地梁结构层的土体约束作用)相比，其大部分相差值较大，且模型三的计算值大于模型一的值。

3)模型二与模型三相比，除了在地震作用下最大弯矩值的绝对相差值较大外，其他值相差均不大。

4)由于模型一与模型二，三在水平力作用下整体计算结果相差较大，故采用模型一进行结构整体计算分析是不合适的。

5)结构的位移较小。这体现在文献［2］［4］对建筑物水平位移的限制和文献［5］对桩顶水平位移的限制。

［1］ 韩理安.水平承载桩的计算［M］.长沙:中南大学出版社，2004.

［2］ JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范［S］.

［3］ JTJ 024—85，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［4］ JGJ 3—2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［5］ GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［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

刘青丽(1969-)，女，工程师