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2-各類基礎在YJK基礎軟件中采用的計算模型及特點

發布時間:2016-07-13

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各類基礎YJK基礎軟件中采用的計算模型及特點

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1 基礎幾種有限元計算模型概述

1倒樓蓋計算模型

《地基規范》第8.4.14給出了筏板基礎采用倒樓蓋計算模型的條件當地基土比較均勻、地層壓縮層范圍內無軟弱土層或可液化土層、上部結構剛度較好、柱網和荷載較均勻、相鄰柱荷載及柱間距的變化不超過20%,且梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1/6時,筏形基礎可僅考慮局部彎曲作用。筏形基礎的內力,可按基底反力直線分布進行計算,計算基底反力應扣除底板自重及其上填土的自重。

《地基規范》第8.3.2給出了地基梁基礎采用倒樓蓋計算模型的條件在比較均勻的地基上,上部結構剛度較好,荷載分布較均勻,且條形基礎梁的高度不小于1/6柱距時,地基反力可按直線分布,條形基礎梁的內力可按連續梁計算,此時邊跨跨中彎矩及第一內支座的彎矩值宜乘以1.2的系數。

上述規范給出的地基梁基礎、筏板基礎采用倒樓蓋的基本條件可以總結為:上部均衡、基礎均勻、地基條件良好,因為只有如此才能滿足倒樓蓋計算模型的基本假定。

倒樓蓋計算模型以下圖示意工程為例進行介紹

倒樓蓋計算模型主要特點:

1按基礎剛體假定計算基底反力,基底反力為線性分布

規范提出的計算基底反力時應扣除底板自重及其上填土的自重,是基于底板自重及其上填土的自重為均布荷載假定,其產生的作用與其反力的作用是相互抵消的,不會引起基礎變形和內力的考慮。

軟件計算時,考慮到底板自重及其上填土的自重可能存在不均勻。為適應所有情況,計算基底反力時計入底板自重及其上填土的自重,在后面內力計算時考慮這些荷載的影響。這是適應性更強、精確度更好的處理辦法,基底反力計算模型,見下圖:

2)采用柱墻下豎向不動支座假定的倒樓蓋計算模型進行有限元內力分析

倒樓蓋計算模型假定柱墻位置為豎向不動支座,柱墻剛度對板轉動的約束可以通過考慮上部結構剛度來實現彈性約束。樓蓋計算模型,不考慮地基土的性質(基床系數)差異對計算結果的影響。作用荷載包括板面荷載及線性分布的地基反力。

計算模型見下圖:

2彈性地基梁板計算模型

基礎滿足了規范提出的若干條件才可以使用倒樓蓋模型進行有限元計算,使用范圍很窄。彈性地基梁法可以考慮上部結構剛度、基礎剛度、上部荷載不均勻分布、樁土性質,實現上部基礎土共同作用分析,所以適用性沒有限制,可以適用于任何條件。

基礎工程是支撐地基土及樁上的。彈性地基梁板計算模型,基于文克爾假定,用線性彈簧來模擬樁土支撐作用。軟件土對基礎的支撐作用線性彈簧來模擬,彈簧剛度取基床反力系數與梁單元底面積的乘積,樁彈簧剛度直接設定。

彈性地基梁板計算模型,示意如下圖:

3倒樓蓋計算模型與彈性地基梁板法對比

彈性地基梁板法與倒樓蓋都是有限元計算方法,即基礎自身都是劃分網格后按板元、梁元計算模擬。兩個計算模型主要差別是:

1)支撐條件不同

倒樓蓋法以柱墻位置為豎向不動支座,不考慮樁土的支撐作用(以反力荷載考慮)。

彈性地基梁板法以模擬樁土的線性彈簧作為支撐。

2荷載不同

倒樓蓋計算法時,柱墻傳遞下來的上部結構荷載以線性分布反力形式作用到模型上。

彈性地基梁板法時,模型上的荷載是全部實際荷載。

3)計算過程不同

倒樓蓋計算方法先按剛體假定計算得到線性分布反力,然后按有限單元法得到位移、內力。

彈性地基梁板法根據有限單元法先計算得到位移、內力,由彈簧位移和彈簧剛度得到實際反力分布。

4)變形和內力存在明顯差異

倒樓蓋計算是理想簡化模型,模型中柱墻位置為豎向不動支座,所以變形和內力特征容易預。柱墻位置位移為0,在地基反力作用下房間中部的位移向上,所以柱墻下部位是板底受拉、房間中部是板頂受拉。

實際工程中,若荷載分布不均勻、或樁土支撐剛度差異明顯情況下,柱墻位置位移不一定恒小于房間中部位移,實際工程往往呈現出與倒樓蓋變形結果不同的變形和內力。只有彈性地基梁板法考慮實際荷載分布、結構剛度及樁土支撐剛度,變形和內力結果能反應所有這些因素影響,是可以模擬各種復雜情況的精確計算方法。

對基礎有限元計算的位移和內力結果的一個常見疑問就是:為什么柱墻下不是板底受拉、跨中不是板頂受拉?根源是錯誤地用倒樓蓋計算假定的變形和內力特征去理解彈性地基梁板法的計算結果。

4可考慮拉壓剛度不同的非線性分析模型

彈性地基梁板法一種可以模擬復雜基礎工程的有限元計算方法。但是該模型中對樁土支撐采用的是剛度不變的線性彈簧,只能適用于整個基礎處于受壓狀態的情況。

考慮到基礎工程的邊界條件的非線性,即:土只能承擔壓力,不能承擔拉力;普通樁、抗拔錨桿等拉壓剛度不同,差異很大。所以如果土或者樁出現了部分受拉的情況,就應該考慮土樁抗拉抗壓剛度不同的非線性分析模型。

可考慮拉壓剛度不同的非線性分析模型,是普通彈性地基梁板法的改進。區別是樁土彈簧由線性彈簧改為拉壓剛度不同的非線性彈簧。

從實際工程角度來看,需要進行非線性分析的最常見情況包括:1)進行人防設計的工程;2)抗浮設防水位比較高的工程;3)上部結構荷載特別不均勻的工程;4)較大水平力荷載的工程;

軟件默認對含高水的組合、含人防的組合采用非線性分析方法,用戶可以自定義工況組合的分析屬性。

2 各類基礎各項計算內容采用的計算模型

1簡單獨基、簡單承臺、砌體條基

簡單獨立基礎,包括不與地梁、筏板以及剪力墻相連的單柱獨立基礎以及雙柱基礎梁式獨基、四柱雙梁獨基。簡單獨立基礎參考《建筑地基基礎設計規范》8.2節有關規定方法計算內力配筋,其計算模型示意如下圖:

簡單獨立基礎計算模型特點:1)假定其地基反力及內力只和本柱荷載有關,不考慮上部結構及其他基礎的相互影響;2)按可考慮雙向彎矩作用的的雙線性分布地基反力計算內力(圖示的是單線性分布);3)可考慮大偏心情況下出現零應力情況。

砌體條基計算模型類同獨立基礎,也是參考《建筑地基基礎設計規范》8.2節有關規定方法計算內力配筋,其計算模型示意如下圖:

簡單承臺不與地梁、筏板以及剪力墻相連的單柱承臺。基于承臺為剛性板假定得到線性分布樁反力,然后以柱為支座進行內力計算。其計算模型示意如下圖:

2筏板、地基梁及復雜獨基、復雜承臺等整體有限元基礎

筏板基礎包括平筏、樁筏、梁筏等各式平板類基礎。

復雜獨基指與地梁相連的單柱獨立基礎、以及剪力墻下或者多柱獨立基礎。

復雜承臺指與地梁相連的單柱承臺、以及剪力墻下或者多柱承臺。

筏板、地基梁及復雜獨基、復雜承臺在軟件中統稱為整體有限元基礎,其特點是對基礎構件劃分網格,采用整體有限元計算模型通過變形協調實現各基礎協同工作。檢查整體有限元基礎的方法是,在【基礎計算及結果輸出】【網格】

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整體有限元基礎不同計算內容需采用不同計算模型,從計算模型角度可以分為這幾項計算內容:

1用于沉降計算的準永久組合,軟件中稱為沉降模型;

2高水之外的其他單工況,以及采用線性分析的非高水基本組合、非高水標準組合,這些線性分析組合的結果是線性疊加單工況計算結果的;

3)高水單工況;

4采用非線性分析的組合,默認是含高水、含人防組合。

整體有限元基礎的計算模型軟件提供了兩個選項:倒樓蓋法和彈性地基梁板法,界面見下圖:

兩個不同選項情況下,整體有限元基礎的計算模型要點見下表:

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倒樓蓋法

彈性地基梁板法

準永久組合(沉降計算)

倒樓蓋計算模型(不迭代)

彈性地基梁板模型(可迭代)

非高水單工況

及線性分析組合

倒樓蓋計算模型

彈性地基梁板模型

高水單工況

內力

倒樓蓋計算模型,結果不可用

彈性地基梁板模型

(結果未用)

高水單工況

樁土反力及承載力

倒樓蓋計算模型,結果不可用

倒樓蓋計算模型

(結果未用)

非線性分析組合

(默認高水、人防組合)

線性組合單工況結果

結果不可用

可考慮拉壓剛度不同的非線性分析模型

整體有限元基礎選擇【倒樓蓋法】時,其要點是:

1)沉降計算采用線性分布反力計算,不進行沉降迭代計算;

2)抗浮驗算結果包括內力、抗拔承載力結果均不可用,所以如果進行抗浮驗算的項目不能選擇該選項;

3)其他計算內容(非高水單工況及線性分析組合的內容選用【倒樓蓋法】,也要注意《地基規范》第8.4.14條或《地基規范》第8.3.2條給出的適用范圍。

整體有限元基礎選擇【彈性地基梁板法】時,其要點是:

1)沉降計算采用有限元計算得到的反力分布計算,并允許進行迭代計算(選項見下圖)以更準確的反力分布計算沉降;

2含高水組合默認是非線性分析,其結果不是單工況疊加得到。所以高水單工況結果是沒有使用的,只有在含高水組合采用線性分析時才使用。而且高水單工況內力結果采用的是倒樓蓋計算模型;高水單工況樁土反力及承載力結果采用的是彈性地基梁板模型。

3高水、人防組合默認是非線性分析,其結果不是來自單工況疊加的,是荷載組合后直接采用采用可考慮拉壓剛度不同的非線性分析模型得到。

所以,整體有限元基礎進行抗浮驗算情況只能選用【彈性地基梁板法】,并采用軟件模型的非線性分析方法。

3拉梁

YJK基礎計算流程中,拉梁在最開始計算。因為其它基礎需要得到拉梁傳來的荷載,首先進行拉梁計算,才能得到拉梁上荷載的傳導結果,才能繼續拉梁下其它基礎的計算。

拉梁計算模型是以柱位置為支座的交叉梁模型。

整體式有限元基礎地基梁比較,拉梁的點是:

1)拉梁不屬于整體有限元基礎,不與其他基礎協同計算,先于其他基礎采用獨立的以柱為支座的交叉量模型計算的;

2)拉梁的荷載會傳遞到其他基礎。

4防水板

防水板計算模型有幾個特點:

1)采用兩階段設計方法,先算防水板,再算其他基礎并考慮防水板對其他基礎的影響;

2防水板自動采用柱墻為豎向不動支座的倒樓蓋計算模型,與計算方法參數的【彈性地基梁板法】、【倒樓蓋法】無關(見下圖),該方法選項是針對整體有限元基礎的。

盡管都是以柱墻為豎向不動支座為計算假定,但是整體有限元基礎的【倒樓蓋法】防水板倒樓蓋計算模型的計算荷載有所不同:

1)整體有限元基礎的【倒樓蓋法】作用是提供上部結構恒活風地震荷載等非抗浮組合下的簡化計算方法,不能用于抗浮驗算;

2)防水板的倒樓蓋計算模型不考慮上部上部結構恒活風地震荷載,核心是提供抗浮組合的簡化計算方法。

3 基礎工程的變形受力特點

基礎工程是支撐在可變形的樁土之上的,所以其受力情況與樁土特性關系較大,呈現彈性支座變形特點。

前文所述的幾種基礎形式包括:1)簡單獨基、簡單承臺、砌體條基;2)整體式基礎采用倒樓蓋計算方法;3)拉梁;4)防水板,都是采用了理想簡化模型,忽略了樁土本身性質對基礎變形和受力的影響

本節重點針對整體有限元基礎采用考慮樁土性質的彈性地基梁板法時,基礎的變形和受力特點進行分析。

有限元基礎采用考慮樁土性質的彈性地基梁板法時,其計算模型可以用下圖示意:

彈性支座是基礎模型的主要特征:采用線性分析情況下,樁土用線性彈簧來模擬;含高水組合等采用非線性分析時,樁土用拉壓剛度不同的非線性彈簧模擬。

變形來自荷載對彈性地基梁板模型的作用,所以基礎工程的變形特征與上部結構荷載分布、樁土剛度特性有很大關系。

如果上部荷載比較均勻、樁土性質也比較均勻的工程,變形有如下特點:

1由于柱墻位置作用較大的上部結構荷載,所以上部結構恒活風地震荷載等非抗浮組合下其柱墻下變形最大、房間中部變形最小,其變形呈現與倒樓蓋模型類似的結果,即柱墻下板底受拉、房間中部板頂受拉。見下圖:

2)含高水組合情況下,如果整體抗浮滿足,其變形特點仍然是柱墻下變形最大、房間中部變形最小,不過整體平均變形后位置要向上一些。此時其變形也仍呈現與倒樓蓋模型類似的結果,即柱墻下板底受拉、房間中部板頂受拉。見下圖:

前述是上部荷載均勻、樁土性質也均勻的情況,也是大部分人印象中基礎變形特征。而實際上,大部分基礎工程存在上部結構荷載不均勻、樁土性質不均勻等情況,所以基礎工程變形有時候會呈現與倒樓蓋明顯不同的變形特征,比如典型的兩種情況:

1上部荷載不均勻

上部荷載不均勻導致各柱墻下的位移差別較大,荷載小的柱墻下(圖示中部柱墻)位移相對成為向上變形,出現恒活荷載作用下柱墻位置板頂受拉情況,下圖:

2)外圈裙房局部抗浮不足形成懸臂板

主樓帶裙房工程,由于裙房部分上部結構恒載較小,在抗浮組合中會出現外圈裙房局部抗浮不足情況。裙房一旦出現上部荷載小于水浮力情況(如下圖右側部分)會導致板上抬土彈簧退出工作、形成懸臂板的變形特征,出現抗浮組合情況下整個裙房區域板底受拉情況,見下圖:

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