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不同桩型—高层建筑结构体系动力相互作用的对比研究

作　者: 李辉
导　师: 钱德玲
学　校: 合肥工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 支盘桩直杆桩高层建筑 MARC 动力相互作用
分类号: TU473.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高层建筑具有高、重、大等特征,这就要求基础和地基要有足够的强度承担上部结构的重大荷载和地震引起的巨大倾覆力矩,以保证建筑物具有足够的稳定性。支盘桩作为一种较为先进的桩基形式,现已成为桩基工程领域内的一项新的研究热点。在实际工程中,支盘桩以其较高的承载及抗拔力、较好的经济收益得到了越来越广泛的应用。但是相对于直杆桩,支盘桩对于上部结构发挥了怎样有利的作用;在使用支盘桩作为高层建筑基础时,上部结构还有哪些问题值得注意,这些都值得关注。因此对比研究两种桩型-高层建筑结构的动力相互作用非常必要。为了研究不同桩型在地震作用下的动力特性以及桩-土-高层建筑结构体系动力相互作用的规律,课题组于09年1月在同济大学结构实验室做了名为“桩-土-结构动力相互作用研究”的振动台试验。另外,利用大型有限元软件MARC对两种结构体系动力相互作用的过程进行了相同条件下的模拟,并利用振动台试验的结果验证了数字模拟的精确度。通过对比两种桩型结构体系的数字模拟结果(包括最大变形图、顶层加速度组成、层间剪力和倾覆力矩、局部应力云图等),得出以下结论:在水平地震波激励下,直杆桩体系的承台与土发生了明显的分离,桩体也有较大程度的上拔,上部结构产生严重倾斜和上移。而在支盘桩体系中,虽然上部结构也发生了倾斜的现象,但是幅度小得多,且承台与土之间保持着良好的接触状态,支盘有效地防止了结构体系产生较大变形;支盘桩体系中上部结构的最大层间剪力、倾覆力矩大于直杆桩体系,且随着输入激励的增大,该规律不变,应力云图也显示,在各层处,支盘桩体系的剪应力都大于直杆桩体系;支盘桩桩顶的剪应力明显小于直杆桩,且应力在支盘上也有集中分布,表明支盘在保证结构稳定上发挥了重要的作用,角桩的支盘作用更明显。研究结果表明,支盘桩可以有效降低上部结构的变形,但可能在上部结构产生局部应力集中。研究结果为今后桩基抗震和高层建筑防灾减灾提供有效的设计依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-13
第一章绪论  13-21
  1.1 引言  13
  1.2 动力相互作用的研究现状  13-14
  1.3 动力相互作用问题的研究方法  14-17
    1.3.1 理论分析法  14-16
    1.3.2 原型测试法  16
    1.3.3 模型试验法  16
    1.3.4 试验与计算分析的对照研究  16-17
  1.4 目前动力相互作用研究存在的问题  17
  1.5 支盘桩与直杆桩  17-19
    1.5.1 支盘桩的研究现状  18
    1.5.2 支盘桩的工程特点  18-19
  1.6 本文的主要研究内容  19-21
第二章振动台模型设计和试验  21-32
  2.1 引言  21
  2.2 试验的目的和基本原则  21
  2.3 振动台模型设计  21-24
    2.3.1 模型的相似设计  21-22
    2.3.2 模型的结构设计  22-23
    2.3.3 土体的边界条件模拟及土箱设计  23
    2.3.4 模型用土的物理力学性质要求  23-24
  2.4 试验测试仪器和测点布置  24-26
  2.5 地震波的选择  26-28
  2.6 加载制度  28-30
  2.7 试验的安装准备  30
  2.8 试验过程中的观察和记录  30-31
  2.9 试验中的安全技术措施  31
  2.10 试验的进度计划  31-32
第三章大型有限元软件MARC 的分析功能与应用  32-39
  3.1 引言  32
  3.2 MARC 软件及结构分析的特点  32-33
    3.2.1 MSC.MARC 软件的特点  32
    3.2.2 MARC 程序结构的特点  32-33
  3.3 MARC 的结构非线性动力分析功能  33-39
    3.3.1 非线性方程的直接积分  33-35
    3.3.2 塑性的影响  35
    3.3.3 几何非线性  35
    3.3.4 非线性加载和边界条件  35-36
    3.3.5 精度和稳定性  36-39
第四章数值计算与振动台试验结果的对比和验证  39-46
  4.1 引言  39
  4.2 建模过程  39-43
    4.2.1 网格划分  39-41
    4.2.2 对称性的应用  41
    4.2.3 结构中钢筋的处理  41
    4.2.4 结构体系接触问题的模拟  41
    4.2.5 地震波的输入  41-42
    4.2.6 结构—地基相互作用非线性分析  42-43
  4.3 数字模拟的合理性验证  43-46
第五章两种桩型结构体系动力相互作用的对比研究  46-58
  5.1 引言  46
  5.2 动力相互作用的对比分析  46-56
    5.2.1 体系的变形对比  46-47
    5.2.2 楼层相对位移  47-48
    5.2.3 结构顶层加速度组成对比分析  48-51
    5.2.4 层间剪力和倾覆力矩  51-53
    5.2.5 框架结构剪应力图对比  53-56
  5.3 本章总结  56-58
第六章结论与展望  58-60
  6.1 引言  58
  6.2 本文的主要工作和结论  58-59
    6.2.1 振动台试验  58
    6.2.2 MARC 有限元模型分析  58
    6.2.3 本文的主要结论  58-59
  6.3 后续工作的展望  59-60
参考文献  60-63

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