第4章 工程实例与分析
4.1 工程概况
该模型地下1层，地上11层，地面以上层高3.3m，地面以下层高3.0m，横向为2跨，纵向为3跨，纵横方向柱距均为6m。各层框架柱截面尺寸为600mm×600mm，梁截面尺寸为300mm×600mm，梁柱砼等级为C30，楼板厚度为100mm，材料参数同梁柱。基础采用筏形基础，筏板厚度为lm，筏板砼强度等级为C30。地下室挡土板与筏形基础整体现浇。地下室顶板厚度为200mm，挡土板厚度为300mm，上部结构、基础梁及地基土的其他参数见表4-1及表4-2。
表1 上部结构、基础主要参数表
材料 弹性模量E/GPa 框架梁、柱 楼面板 基础梁、板 25.5 25.5 25.5 泊松比/μ 单轴抗压 强度 /kPa 0.167 0.167 0.167 1100 1100 1650 单轴抗 压强度 /kPa 2370 2370 450 裂缝张开裂缝闭合γ/kN·m3 下的剪力下的剪力传递系数 传递系数 25.0 25.0 25.0 0.5 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0 重度 表2 地基主要参数表
名称 类型 变形模量 弹性材料指标 泊松比 0.24 0.30 0.39 重度 0 0 0 D-P材料指标 黏聚力 内摩擦角 50 40 50 21 14 9.5 膨胀角 0 0 0 地基土 地基土 地基土 硬土A 中硬土B 软土C 17 11 5 26
4.2 有限元模型的建立
4.2.1 单元的选择
在共同作用分析中，上部结构，基础和地基的性质各不相同，根据其不同特点，建立各自的分析和计算模型，并通过在接触面的边界条件和位移条件进行耦合是其基本思路。框架柱和梁采用基于Timoshenko梁理论的BEAM188单元来模拟；楼板和地下室挡土板采用高精度四边形板壳单元SHELL63模拟，筏形采用SOLID65实体单元，土体采用SOLID45三维实体单元来模拟，土体边界采用COMBIN14单元来模拟实现。
4.2.2地基土模型建立
本文将筏板与地基土的接触视为不滑动也不分离的接触。对于此种接触问题，在ANSYS中有三种可行的模拟办法[61，62]。
1 连续网格法：不同接触面间GLUE以后，共同节点连接起来。 优点：两个接触面可以是真实的分离面，也可以是人工虚构的面。接触体之间应力应变连续，对单元类型无限制，允许大变形。
缺点：两边网格必须一致，难以实现不同密度单元分区，有时甚至会 给规则网格划分带来困难。 2 约束耦合方程
优点：接触面两边可以自划自的网格，疏密也可以不同，适应性强。与接触法相比不需要在界面上额外的定义单元，是线性分析。
缺点：因为整个单元的结构耦合在节点有了不切实际的刚性区域，计算结果在接触面上会有急剧变化，应力集中等，而且不可以大变形。尽管是线性，仍旧会增加计算时间，增加内存需要。
3 绑定接触法((BONDED CONTACT)：用面面接触单元连接。
优点：接触面两边可以自划自的网格，疏密也可以不同，适应性强。可以大变形，容易做拷贝镜像等操作。而且由于绑定接触是对整个单元的接触计算，计算结果接触面两边应力应变变化均匀，没有虚假的应力集中，精度极高，基
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本上与真实情况一致。
虽然是非线性但可以用SOLCONTROL，OFF和NEQIT，N来强制用少量的迭代次数，计算量不比线性分析大多少。
缺点：需要手工建立接触，增加建模难度与工作量。接触刚度FKN的定义是个难题，没有确定解答，太低会使结果不准确、应力不连续。
本文采用第二种方法模拟地基与基础的接触。
4.2.3框架模型
共同作用研究中，框架结构分为砖填墙框架，纯框架两类。国内外许多试验表明，砖填墙能与框架共同工作，增加了整个上部结构的刚度(但增长是有限的)，使框架各节点的水平位移和转角都明显减小，提高了承载能力[55]。但要建立一个恰当的科学模型来描述和模拟框架内填充墙的工作状态是非常困难的。一般的框架结构建筑起初都是纯框架，而且本文研究的重点在于地基上的结构对共同作用的影响，故采用纯框架型式。
4.2.4 加载及网格划分
高层建筑结构一般处于竖向荷载（结构自重、使用荷载及竖向地震作用）和水平荷载（风荷载、水平地震作用）共同作用下工作的。本文结构的竖向荷载主要是由框剪结构梁柱本身的自重、楼层的恒载和活载、填充墙及其他装饰材料组成。对于高层建筑，结构的设计是由水平荷载（风荷载及水平地震作用）控制的，这就是高层建筑结构设计的特点。由于本文运用的是静力分析，所以在水平向上只研究风荷载对高层建筑的受力和变形性能的影响。
加载其实是施加力的边界条件，加荷载事先要将荷载面分割选定(如果是集中荷载则要设定关键点和节点)。在面上加荷要注意方向。至于重力一般是加反向的体加速度，ANSYS会根据其各自的密度计算出实际的重力。在计算前，ANSYS软件会自动将荷载和位移边界条件传到网格节点上去。当然也可以在网格划分以后再布置荷载和位移边界条件。
网格划分是ANSYS软件计算能否顺利进行的关键步骤，它一般可以采用两种方法，这主要取决于建模的思路和模型的特点[52，53]。如果想划分的网格
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较规则，精度较高，同时又容易控制单元，则采用自下而上的建模方法，定义节点编号，建模时充分考虑网格划分的大小和形状，例如在基础的部位按照其形状划成规则的长方体(注意贯通土体，以免不必要的布尔操作)，然后按照映射法进行网格划分。可以先划分基础，再设定渐变划分土体(注意接触面单元的影响)，这样就可以划分出非常规则的网格图形了，而且可以很好的控制单元数。
另一种方法是从上往下建模，直接生成实体，然后进行布尔操作，采用自由网格划分，也可以生成网格图形，但一般是退化的四面体网格。对框架、基础和土体可以分别设定单元限制，并统一划分。相比前一种方法，第二种方法较简便，便于后处理工作以及优化设计分析。但该方法对单元形状难以控制，在非线性计算中易产生奇异解或者不收敛的情况。
针对本文问题，选择自由网格和映射网格相结合的划分方式。有限元模型如图4-1所示。
图4-1 有限元模型与网格划分
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4.3 共同作用结果分析
4.3.1 刚度对各部分受力性能的影响
4.3.1.1改变上部刚度
本工程框架柱采用同一混凝土标号（即同一弹性模量，ANSYS中使用同一参数），若增加框架柱的弹性模量，相当于增加整个上部结构的刚度，上部刚度的取值见表4-3，所得结果见图4-2。
表4-3 上部刚度数值
工况变化 初始情况 刚度变化
EI
工况1 1.154EI
工况2 1.308EI
工况3 1.462EI
工况4 1.615EI
工况5 1.769EI
工况6 1.923EI
（a）角柱1的应力 （b）角柱3的应力
（c）边柱2的应力 （d）边柱6的应力
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