地震作用下变刚度桩基的三维数值模拟分析研究

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从7000~8000年前的新时期时代到迅速发展科技化的当今时代,从在沼泽地里栽木桩到现在满布的钢筋混凝土桩基,桩基经历了漫长而又迅速成长的发展过程,可见桩基是一种历史悠久而又被广泛采用的基础形式。但桩基因其隐蔽性,其破坏很难被人们所发现,与此同时对桩基的修复也成了一大难题。而且地震力和风力是引起高层建筑基底水平剪力和倾覆力矩的主要因素。一般来说,当地震作用为控制因素时,地震引起的基底水平剪力一般不超过高层建筑总重的5%[1],但对建筑整体的影响力和破坏力仍相当可观。因此,对桩-土-结构动力相互作用进行地震数值模拟研究显得尤为重要,具有重要的学术意义以及较强的工程实用价值。变刚度桩基就是利用地基土和群桩的性质,以调整“桩土支承刚度”为中心原则,最终实现不均匀沉降、基础内力以及资源耗能最小化的结果。通过对桩基础采用变刚度的设计方法,不仅可以达到较好的经济效果,还可以对基础、承台的沉降起到很好的调平作用。《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)对桩基设计增加了“变刚度调平设计”。可见变刚度设计方案在实际工程应用中起着越来越重要的作用,但其抗震方面的研究不够充分,仍需继续深入。本文采用ABAQUS大型软件拟建四种三维模型,可以更直观的研究地震作用下变刚度桩基的性能。在尽可能保证桩体总用料相近的前提下,建立了一种等桩长的布桩方式以及三种变桩长的布桩方式。并在此基础上对比分析四种不同方案在竖向荷载和地震荷载作用下的桩身的内力和承台沉降量、差异沉降等数值;上部结构在地震全过程中底端位置、第七层位置(震动位移最大处)以及顶端位置的位移时程曲线分析,对震动较强时刻做震动位移数值对比。通过数据对比分析主要得出如下结果:(1)在竖向荷载作用下,承台的沉降曲线规律一致,均呈现中间大两边小的情况。但是不同的布桩方式对差异沉降值有着明显的影响。随着中间刚度的增大,差异沉降值呈减小趋势。在桩体总用量相同的情况下,变刚度方案相比等桩长方案差异沉降减小。但在地震作用下表现为变刚度方案差异沉降较大,对建筑安全不利。(2)在施加地震荷载的情况下,四种方案的轴力变化趋势均是由大到小;剪力和弯矩则都是桩顶处最大,然后沿着桩长呈现减小的波动趋势;沿桩身的水平位移的变化先增大后减小,位移最大值在8~10m处的位置取得。(3)通过四种方案对11号角桩的内力分析对比,等桩长的方案一比其余三种的变刚度方案的剪力和弯矩在桩顶处的最大值均小,大约减小18%左右。而通过轴力对比可发现方案一的11号桩轴力最大值是其余三种方案的2倍多。(4)在地震荷载作用下,研究上部结构特殊点的时程分析,可以看出变刚度方案对上部结构振动最大位移的减小较为明显。结合曲线图和表格分析大致可以看出从方案一到方案四,上部结构的震动位移是逐渐减小的趋势。看来变刚度方案在地震作用下对上部结构的最大水平位移有减小作用。
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