基于有限元的高层民用建筑桩筏基础与地基的受力及共同作用分析
2015-07-07
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核心提示：改革开放以来，我国经济飞速发展，各地都在大兴土木，高楼大厦如雨后春笋般拔地而起。我国的最高建筑每年都在突破记录，今天的建筑行业与改革开放前最高建筑只有十几层的历史简直不可同日而语。随着人口的增多，建筑的横向发展空间越来越狭窄，只能纵向发展，向天空要空间。但是，楼层建的越高，对地基的要求也越高，技术要求也更加苛刻。我国大城市基本集中于东部沿海地区，沿海地区的地质基础往往是较为松软的厚土层，并不适合高楼大厦的兴建。随着技术的发展，桩筏基础的广泛应用，有效的解决了这一难题。
本文将从兴建高层民用建筑所面临的安全问题，桩筏基础的特点优势及问题分析以及采用有限元分析高层民用建筑，桩筏基础与地基的共同作用三个方面展开论述。详尽分析桩筏基础的应用对于高层民用建筑的作用特点以及对于我国建筑行业发展所做出的巨大贡献。笔者的能力有限，对本专题的分析难免有不足错误之处，笔者也本无开山立说之意，仅希望起到抛砖引玉的作用，以供同行之间互相借鉴学习，共同进步。
一、兴建高层民用建筑所面临的安全问题
1.1高层民用建筑的安全问题。
其实对所有的高层建筑而言，安全施工，建筑安全耐用都是最重要的，最首要的问题。不同于其他高层建筑的是，民用高层建筑对安全的要求更高。高层民用建筑的人口密度大，一旦发生安全问题损失将会十分重大。高层民用建筑应该更加的持久耐用，诚如邓小平同志所说的，“我们不仅要有大量百米以上的高楼大厦，更要有屹立百年不倒的建筑品牌！”。尽管我们国家目前工程事故频发，但是这些问题大多并不是建筑工程中所存在的技术安全问题，而是人心，利益等等的问题。所以，我们不应该对高层民用建筑的工程技术有所怀疑，丧失信心。
1.2高层民用建筑的地质地基问题。
建筑高楼大厦需要稳固坚实的地质基础，然而我们国家的地理地质状况十分复杂。西北高原黄土土层深厚，易受雨水侵蚀，建筑高楼大厦十分不易；西南以及高原地区又是岩石坚硬的地基，打地基十分不易；东部沿海地区普遍是厚软土层，对地基要求高，高楼大厦很容易陷沉，倾斜。
此外，建筑高层建筑也有其他不可预料的状况。比如地震，台风，暴雨闪电等等自然灾害。如果高层民用建筑建在断裂带或者板块运动活跃带，那么后果将更加的不堪设想。
所以，高层的民用建筑不同于一般的民用建筑，他对于地质地基的要求更高。在变幻莫测的地质环境中，寻求稳定，牢固的地质基础进行高层建筑建设，又往往并不现实。一个行之有效，适用于各种地质环境的建筑方案就迫切的为人们所需要。
二、桩筏基础的特点优势以及问题分析
桩筏基础是目前国内高层建筑建设工程中普遍使用的一项技术办法。其具有整体性牢靠，稳定，垂直承载重量能力强，沉陷程度低，能够调节不均匀的沉陷程度等优点。此外，使用桩筏基础这一建筑模式的高层建筑具有更高抵抗各种自然灾害的能力。比如抗风性强，抗震能力高等等。
桩筏基础的受力环境与其所处的地质环境，以及建筑在其上的上层建筑都有很大的关系，因而十分复杂。所以，需要对桩筏基础的刚性，稳定性，强度等性质有一个严格的规范研究。桩筏基础的设计需要考虑到方方面面的影响因素。目前，在我们国家对于桩筏基础的设计还无法同时考虑到桩筏基础的内部设计因素以及外在环境因素。在设计的环节中，往往不去考虑上层建筑对于地基以及桩筏基础的综合作用。这样就会导致建成的高层建筑与地基，桩筏基础的综合受力状况与设计有很大的出入。因为出于安全起见，所以很多设计工程师都会采取相对保守的设计方案，这样又会导致资源的不必要浪费，增大建筑工程的成本。所以，如何对高层建筑，地基，桩筏基础三个方面进行全面系统的研究考核就成了引起人们关注的问题。
目前在我国，较多的设计工程师采用有限元的分析方法对高层建筑，桩筏基础，地基三个方面进行整体的计算分析，从而得出一套比较符合实际建成后情况的数据，和研究方案。
三、有限元分析高层民用建筑，桩筏基础与地基的共同作用
随着电子科学技术的发展，诞生了有限元这种有效的数值分析方法。起初，这种方法是在上世纪六十年代由美国人提出的。后来传入我国，这些年理论不断成熟，在实践中的应用经验也越来越丰富。我国刘家峡水坝建设时就是采用这种方法进行的应力分析。现在，已经有专门的有限元分析软件来帮助人们对实际情况进行预测性分析。
3.1有限元方法的特点。
首先使用有线元方法在解决由实际情况所抽象出来的数学模型中有突出的优势：（1）可以求解非线性的问题；（2）处理各种材料数据更加方便易行；（3）对于求解各种复杂的边界问题有行之有效的简单方法。在高层民用建筑工程的建设工作中，会出现很多求解地基结构，孔隙度，负载能力，应力特征等等的数据。这些数据很难求得理论值，然而这些因素又对建筑的建设影响重大。如果采用有限元的方法，就可以很好地对实际情况进行模拟，通过电脑的模型软件对地基岩土的各个方面的性质状况（断层，板块固结度，节理，褶皱）进行测量求解。
3.2有限元方法的应用步骤。
有限元分析的主要步骤：（1）系统抽象离散化。此步骤是将高层民用建筑，桩筏基础，地基三个方面的系统离散抽象化。通过数学中的单位模型来对它们进行表征；（2）选择合适的位移模型；（3）通过数学模型推导刚性矩阵；（4）推导出系统所使用的系统方程函数；（5）对方程函数进行求解。
3.3有限元方法应用于分析高层民用建筑，桩筏基础与地基的共同作用的步骤。
首先通过计算机设计出合适的模型。采用合适的模型材料，需要考虑模型材料的抗压能力，强度，稳定度等性质。合理搭配模拟民用高层建筑的各个部位的材料，然后将其根据实际情况进行合理搭建，需要注意很多实际情况中的细节。在模型的设计中还需要采用合适的比例尺以方便研究。设计的模型是对实际情况的真实再现，所以事先需要对建筑工地，建筑目的物进行仔细的测量研究。
摩擦系数的确定：
取桩周紧靠硬壳体外土体中一小块矩形面积dS，设该面积上法向正应力为F，切向剪应力为F1，则根据库仑定律有：
F11=FtanΦ+C
所以作用在矩形面积上的切向力为：
T=F11dS
法向力：
N=FdS
设界面的摩擦系数为μ，则：
T=μN
联立上式，即可求出：
μ=tanΦ+C/F
其次对所用模型进行计算。模型的计算方法也有技巧。在数学计算中，为了减少自由变量，缩短计算时间，减少工作成本，同时也为了加强针对性，保证计算结果的准确性，可靠性，设计工程师往往对模型的四分之一进行全面系统的计算研究。
接着，根据实际情况对模型进行加载。模型的加载具有三个方面。第一个方面是自身重力；第二个方面是风力加载；第三个方面是垂直方向均匀负载。加载不同，地基岩土性质不同，加载的情况也不同。不同的实际情况（例如岩土性质均匀，或者岩土上下性质不一），需要不能的桩筏基础模型。
最后，对计算结果进行分析。计算是通过有限元软件在计算机上进行的。往往是制成数学模型曲线来进行直观的分析研究。通过最后环节的计算，工程师可以得出合理可靠的结论。他们可以通过分析所得出的结论与实际工程变形和物体受力规律是否切合为根据来肯定结论的正确可靠性。从而设计工程师可以根据正确可靠的结论来合理的设计高层民用建筑的设计方案。
（以上两个图就是体现四分之一算法的模型）
结束语：本文介绍了高层民用建筑所面临的一些问题，桩筏基础的应用特点及问题，以及将有限元方法引入到高层民用建筑，桩筏基础，地基的分析研究中对高层民用建筑系统进行整体的受力分析。通过这样的一个脉络清晰的系统介绍，旨在使大家了解在我国建筑业飞速发展的今天，各种理论技术也不断进步，不断发展成熟，为人们的生活提供越来越多的高质量保障。笔者总结的本文，并无笔者本人开山立说之意，只是对我国目前民用高层建筑行业的问题进行分析，并对采用的一些技术方法进行总结性介绍，希望大家共同交流，互相借鉴。
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