多塔裙楼与地基基础相互作用的上部结构分析

冯力强,魏宏亮,朱前坤,王宗年,项长生(．甘肃省建设投资(控股)集团总公司,甘肃兰州　70050;．甘肃建投科技研发有限公司,甘肃兰州　70050; ．兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　70050;．甘肃省建筑科学研究院,甘肃兰州　70050)

多塔裙楼与地基基础相互作用的上部结构分析

冯力强1,魏宏亮2,朱前坤3,王宗年4,项长生3
(1．甘肃省建设投资(控股)集团总公司,甘肃兰州730050;2．甘肃建投科技研发有限公司,甘肃兰州730050; 3．兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050;4．甘肃省建筑科学研究院,甘肃兰州730050)

结构设计中往往不考虑上部结构与地基基础之间相互作用,通过ANSYS建立三座高层塔楼及其裙房有限元模型进行受力分析,研究上部结构和地基基础相互作用下的上部结构柱、梁、裙房剪力墙内力分布特点.结果表明:塔楼上部结构会在相互作用影响下出现边柱及角柱的内力增大,其中在角柱部位的内力增量最多,共同作用对上部结构柱轴力的影响主要在结构一、二层,且角柱受影响较大.相互作用同样对底层梁及裙房外墙计算结果影响较大,在设计时应注意裙房外墙等部位的裂缝控制.

多塔裙楼;相互作用;筏板基础;内力分析;有限元

1　工程概况

1．1上部结构概况

兰州某危旧房改造项目包含三座塔楼,建筑总面积1．6×105m2,塔楼均为地上31层,地下3层,地上4层裙房为商业楼,塔楼总高度为103 m.其中A、B塔为框架剪力墙结构,C塔为全现浇剪力墙结构,裙楼及地下部分为框架结构.

1．2地基基础概况

工程主要持力层为强风化砂岩,最大揭露厚度为14．5 m,且持力层较厚,勘探过程中未钻透,依据岩土勘察报告可按照相对均匀地基考虑.地基承载力特征值为300 k Pa,以强风化砂岩的岩土参数作为计算依据.地下水水位由于周边施工降水影响,水位在地面以下6．5~10．5 m,历史最浅埋深为地面以下2．0~2．5 m.

开发地下空间和地上高层可以利用紧缺的土地资源,裙楼用作商业营运,主塔楼用作民用住宅的多塔裙楼并带有地下大空间车库的结构形式应用越来越广泛.上部结构及地基基础相互作用会在理论设计与工程施工中带来不良影响,所以结合实际工程应用有限元方法分析掌握影响规律可以为分析计算提供参考依据.

王曙光等[1]对主裙楼筏板整体连接进行模型试验和相互作用分析结果表明:改变基础及地基刚度是变刚度调平设计的关键.王春明等[2]建立主裙楼与地基基础相互作用的计算模型并在实际工程中调整地基基础形式,研究表明高层建筑主裙楼整体连接是切实可行的.张武等[3]对框架G核心筒桩筏基础结构进行变刚度模型试验的结果表明:增大核心筒位置的桩长对降低总体沉降及沉降差最为有效.朱红波等[4]对L形大底盘框筏基础结构进行大型模型试验得到结论:裙房扩散主楼荷载在两跨范围与主楼连接的裙房筏板部位容易发生破坏.宫剑飞等[5]对北京三里屯SOHO工程大底盘多塔楼的结构形式进行了原位测试,结果表明上部结构刚度较大裙楼框架柱的荷载值相差不超过20%,主楼核心筒总荷载与主楼外围柱的总荷载相差不超过10%.

工程采用混凝土筏板式基础,筏板混凝土强度等级为C40,垫层混凝土强度等级为C25.裙楼部分筏板厚度0．8 m,塔楼部分为1．6 m.裙楼基础板底埋深为16 m,塔楼基础板底埋深为16．8 m,塔楼电梯井局部埋深为19．3 m.筏板后浇带宽为0．8 m.筏板平面布置见图1.

图1　筏板平面布置Fig．1　Raft layout chart

2　有限元模型建立

应用ANSYS建立了上部结构、地基基础相互作用的有限元模型,基础模型如图2所示,应用实体单元对筏板单元进行模拟[6],基础与地基连接可以应用MPC方法[7].上部结构通过模型转换接口程序SOFT _LINKER[8]导入,整体有限元模型如图3所示.

3　相互作用对柱的影响

上部结构底层墙柱自由度固定求解,将计算结果与整体相互作用进行比较,得出相互作用对上部结构的影响.

主要对比B塔楼4号纵轴定位轴线与C、D、E三个横轴定位轴线相交位置从结构一层至七层的柱轴力,A、B塔楼间的裙房的柱子位置分别为S7与SA、S7与B－C及S6与B－C相交位置.同时比较了B塔楼与1号轴线相交的B－C、C－D、DE轴线之间结构一层至七层梁的轴力.最后分析比较了裙房外墙的第一主应力值.柱、梁及墙的相应编号分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6;L 1、L2、L3、L4、L5、L6;Q1,相应的位置如图4所示.计算得到考虑相互作用与不考虑相互作用时的柱轴力,分别如表1、表2所列,对比表1与表2并绘制相互作用下柱轴力对比图,如图5所示.

从图5可以看出塔楼处一层柱轴力在相互作用的影响下要明显大于不考虑相互作用上部结构单独计算结果,并且角柱Z1的增加量要比两个边柱多,接近角柱的边柱Z2略大于边柱Z3.结构二层在Z1处计算结果相差较大,与边柱相近.随着楼层的增高可以看到,三层以上两种情况计算的柱轴力结果相差较小.对比两种情况下裙房柱Z4~Z6的轴力可以看出4、5号柱轴力在相互作用及塔楼影响下的计算结果比不考虑相互作用时的计算结果要小.在裙楼的中部6号柱相互作用计算结果较大.

图2　筏板基础有限元模型Fig．2　Finite element model of raft foundation

图3　结构整体有限元模型Fig．3　Structural overall finite element model

图4　柱编号、梁及外墙位置Fig．4　Sketch map of column number,girder and external wall location

表1　不考虑相互作用柱轴力Table 1　Column axial force without interaction k N

表2　考虑相互作用柱轴力Table 2　Column axial force with interaction k N

图5　相互作用柱轴力对比Fig．5　Comparison of column axial force under interaction

3．1相互作用对梁的影响

将两种情况下的上部结构1~7层的梁的轴力进行比较,梁的位置对应图4,对比计算结果如图6所示.一、二层梁的轴力在相互作用下为受压,到三层后塔楼部分三根梁变为受拉,而裙楼部分仍旧受压.对比结果,两种情况计算结果相差较大,表明相互作用对上部结构梁的影响较大,拉压计算结果可能相反,整体规律性不明显,需要在设计时进行相互作用分析,以准确计算梁的受力.

图6　相互作用梁轴力对比Fig．6　Comparison of girder axial force under interaction

3．2相互作用对裙房外墙的影响分析

图7　结果位置及第一主应力云图Fig．7　Result position and first major stress nephogram

选取对比的9个位置点,如图7(a)所示,图7(b)为相互作用下裙房外墙Q1第一主应力云图.从整体趋势可以看出外墙底层两侧角柱处拉应力较大,底层半圆形区域的拉应力较小,结构三层外墙顶及与角柱相连的二层墙拉应力均较明显.

将两种情况下9个位置点墙外侧的第一主应力进行对比,结果如图8所示.结果表明相互作用计算结果明显增大.在结构二层外墙顶2、8两个对称的位置点第一主应力较大,且均超过了混凝土抗拉极限标准值.

图8　相互作用影响下裙房外墙第一主应力对比Fig．8　Comparison of first major stress nephogram of external wall of podium under interaction

4　结语

通过ANSYS建立多塔裙楼有限元模型,计算只考虑上部结构模型与相互作用模型的柱、梁、裙房外墙受力.研究表明:塔楼上部结构会在相互作用影响下将塔楼中部荷载向筏板边缘周围转移,即增大了边柱及角柱的荷载,其中角柱的荷载增加量最多.相互作用对上部结构柱轴力的影响主要在结构一、二层,且角柱所受影响较大.相互作用对底层梁及裙房外墙计算结果影响较大,需要在设计时注意以免造成构件的开裂.

[1]王曙光,滕延京．大底盘建筑主裙楼基础整体连接的可行性与适用性研究[J]．土木工程学报,2010,43(2):95G99．

[2]王明春,张保良,赵锡宏．高层建筑主楼和裙房不设缝时的分析[J]．建筑结构学报,1999,20(3):65G70．

[3]张武,迟铃泉,高文生,等．变刚度桩筏基础变形特性试验研究[J]．建筑结构学报,2010,31(7):94G102．

[4]朱红波,邸道怀．L形高层建筑下大底盘框架厚筏基础反力和变形试验研究[J]．建筑科学,2008,24(1):27G30．

[5]宫剑飞．高层建筑与裙房基础整体连接情况下基础的变形及反力分析[J]．土木工程学报,2002,35(3):46G49．

[6]李慧,童雄,狄生奎,等．基于ADINA的板柱连接冲切破坏的非线性分析[J]．甘肃科学学报,2007,19(1):127G130．

[7]杜永峰,邱志涛．筏板基础中柱节点冲切有限元分析[J]．甘肃科学学报,2007,19(4):125G128．

[8]曹伟良,张良平．SAP2000和ANSYS模型转换技术[J]．建筑结构,2009,39(S2):481G482．

Interactive Superstructure Analysis between MultiGtower Podium Building and Foundation

Feng Liqiang1,Wei Hongliang2,Zhu Qiankun3,Wang Zongnian4,Xiang Changsheng3
(1．Gansu Construction Investment(Holdings)Group Corporation,Lanzhou 730050,China; 2．Gansu Construction Investment of Science and Technology Development Co．Ltd．,Lanzhou 730050,China; 3．School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 4．Gansu Academy of Building Research,Lanzhou 730050,China)

Structural design usually does not cover the interaction between superstructure and foundation．Based on the force analysis of 3 high towers built by ANSYSand finite element model of their podiums,the characteristics of internal force distribution of superstructure columns,girders and shear walls of podiums under the interaction beG tween superstructure and foundation is studied．The analysis results indicate that the superstructure of tower will increase the internal force of side columns and corner columns under interaction,among which the internal force of corner columns increases most．The axial force influence of interaction on superstructure columns is mainly in the first and second layer of structure,and corner columns areinfluenced most．As theinteraction has a bigger influence on the calculation results of basement girders and external wall of podiums,crack control of external wall of podiG ums and other locations shall be paid attention in design．

MultiGtower podium building;Interaction;Raft foundation;Internal force analysis;Finite element

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．014．

TU433

A

1004G0366(2016)02G0062G06

2015G03G30;

2015G07G07．

甘肃省科技支撑计划(1104GKCA035)．

冯力强(1967G),男,甘肃武都人,教授级高级工程师,研究方向为工程灾害监测与防治．EGmail:fenglq67＠126．com．

引用格式:Feng Liqiang,Wei Hongliang,Zhu Qiankun,et al．Interactive Superstructure Analysis between MultiG tower Podium Building and Foundation[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):62G67．[冯力强,魏宏亮,朱前坤,等．多塔裙楼与地基基础相互作用的上部结构分析[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):62G67．]