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4-與傳統基礎軟件的差異及案例分析

發布時間:2016-07-13

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與傳統基礎軟件的差異及案例分析

1 基礎結果對比JCCAD要點

按照以下順序比較影響計算結果的關鍵環節:

1對比上部結構荷載,可以查看單工況的柱底、墻底內力筋對比,還可以借助對比工具簡單對比整體指標(見下圖);

2對比基礎模塊中施加的荷載,包括基礎自重、板面恒活、覆土、水浮力及人防;

3對比計算方法,比如:是否是采用有限元計算方法;倒樓蓋法還是彈性地基梁板法,是否考慮上部結構剛度等;

4)采用彈性地基梁板法情況,如:筏板基礎、樁筏基礎、地基梁基礎,還要對比基床系數和樁剛度;

5筏板基礎、樁筏基礎還要對比網格劃分結果;

6最后比較計算結果。

2 上部結構荷載處理對比

上部結構荷載兩個軟件計算結果本身一般差異很小,可以通過通過檢查總質量整體指標等方式來檢查。但是要注意在基礎模塊處理中的幾點差異:

1YJK基礎可以考慮地下外墻水土壓力荷載的影響(見下圖),傳統軟件不能;

2為避免柱墻下應力集中,YJK提供了考慮柱墻尺寸對集中力進行處理的選項,見下圖:

此時柱墻集中力會考慮柱墻的截面尺寸、筏板的厚度按45度應力擴散角,按距中心點距離比例將一個集中力分散成n個集中荷載,可減少柱下板帶、墻下板帶應力集中的現象。荷載處理示意見下圖:

3 YJK基礎計算使用SATWE荷載條件

YJK基礎設計除可采用YJK上部計算結果外,也可以直接讀取SATWE荷載,見下圖:

要注意幾點:

1、YJKPKPM在同以工程目錄文件夾內;

3)、PKPM完成上部結構計算分析;

4、用YJK完成上部結構計算分析;

4 基礎施加的各類板面荷載對比

基礎模塊中施加的荷載,包括基礎自重、板面恒活、覆土、水浮力及人防。兩個軟件中施加這些荷載的控制參數有一定差異,要校對實際施加的荷載是否一致。

比如覆土荷載,傳統軟件是通過室外地坪標高、基礎埋深自動計算的。YJK基礎軟件是采用獨立覆土荷載參數,比如:

1)軟件中非筏板基礎的覆土是根據下圖參數來確定的:

覆土的計算是按公式:覆土重 = 覆土厚度*覆土容重。

2)筏板基礎的覆土荷載是在布置時,直接輸入荷載值(KN¥M^2),見下圖:

5 YJKPKPM的配筋彎矩處理差異

1)傳統軟件配筋計算

傳統軟件的筏板配筋是采用有限元理論結果直接進行配筋設計。

傳統軟件筏板采用的是八節點單元,每個單元有九個高斯積分點,最終得到彎矩處理方式如下,單元(1Y向最大彎矩為1839,最終配筋取的就是這個最大值。

但是這個值不進行磨平處理顯然是偏大的,如圖中的區域,四個單元的在該交點配筋彎矩相差非常大分別為1839,1851,344,384。

2YJK軟件配筋計算

YJK從有限元理論彎矩到配筋采用彎矩提供多項處理措施以避免配筋過大,包括:(1)柱下區域內節點彎矩進行峰值折減;(2)變厚度邊緣區域進行彎矩磨平處理;(3)有限元單元配筋可以取一定范圍節點彎矩平均值進行配筋。參數見下圖:

6 YJK的筏板配筋比傳統軟件原因分析

在荷載基本相同、基床系數和樁剛度彎曲相同前提下,同一工程YJK筏板配筋比傳統軟件小的原因有幾點:

1、YJK改進了網格劃分,其網格以四邊形為主,沒有三角形畸形單元,這樣就避免了因為網格劃分不好導致的應力集中而配筋彎矩失真偏大的問題。

以下是實際工程中,幾個項目筏板的網格劃分效果:

2、YJK從有限元理論彎矩到配筋采用彎矩,提供多項處理措施以避免配筋過大;

3)、YJK可以正確地實現考慮上部結構剛度影響,有效降低峰值內力和配筋。

7 梁式筏板計算模型差異和對比

梁式筏板基礎(見下圖)的計算模型YJK軟件中和傳統軟件中是明顯不同的。

傳統軟件在【基礎梁板彈性地基梁法】模塊提供了兩階段的梁式筏板計算方法,具體是:

1第一步,筏板部分剛度貢獻簡化為地基梁的翼緣,用彈性地基梁元計算地基梁部分內力;

2第二步,只考慮地基板局部彎曲作用以地基梁為板支座計算板內力,可以按各邊支撐彈性理論方法,也可以按極限平衡理論計算的塑性方法。

上述處理方法在實踐中常遇到的問題是:假定地基梁獨立承擔全部荷載,所以地基梁配筋會偏大,很多情況下甚至會無法配筋;而筏板按各邊支撐假定只考慮局部彎曲作用,配筋會偏小。該計算方法適用于板相對地基梁要薄的多,比如板主要起到防水作用的情況。

YJK對于梁式筏板采用的是考慮梁板變形協調的整體有限元計算方法。與傳統軟件相比,地基梁配筋要小,筏板配筋要大。YJK的變形協調處理方法適用于筏板基礎承重構件作用、地基梁是對筏板局部加強情況。

如果板相比地基梁要薄的多,板主要起到防水作用的情況,在YJK軟件中可以采用地基梁加防水板模型,地基梁內力結果會比較接近傳統軟件的兩階段設計方法的結果。

8 雙柱獨立基礎/承臺的計算對比

對于多柱墻下(包括雙柱)獨立基礎/承臺,傳統軟件都是采用簡化為單樁獨立基礎/承臺的非有限元算法,即以多柱墻外包區作為一個單柱子范圍,然后套用規范的簡化計算方法。如果多柱墻之間間距較大時,此種簡化處理方法誤差較大,計算結果偏小。

YJK是按照筏板/樁筏有限元方法計算的,配筋用基礎內的最大彎矩。這兩種算法彎矩會存在較大差異,傳統軟件結果偏小。

9 沖切驗算對比

沖切驗算有兩個關鍵問題:

1)沖切椎體范圍確定及抵抗力計算

包括三種情況:

1對于平筏基礎的單柱單墻沖切驗算,沖切椎體范圍確定直接用柱墻輪廓外擴一個有效高度即可,兩個軟件處理是一致的。

2對于平筏基礎的多柱墻沖切,傳統軟件不能給出組合墻的沖切驗算結果,YJK多柱墻外凸包多邊形給出所有單肢組合墻的沖切驗算結果,還可以通過人工交互給出長肢剪力墻的沖切驗算結果。

3特別是對于樁筏基礎,沖切破壞錐體應采用自柱()邊或承臺變階處至相應樁頂邊緣連線所構成的錐體,錐體斜面與承臺底面之夾角不應小于45°。傳統軟件固定按45度確定沖切椎體,YJK按實際樁與柱墻位置找沖切椎體。見下圖:

固定按45度確定沖切椎體存在的問題是沖切安全結果偏于不安全。即:沖切椎體往往大于實際情況,高估抗沖切能力;計算沖切力時,會誤將實際沖切錐外的樁反力扣除,沖切力計算明顯小于實際。

2)沖切力計算

以柱墻沖切為例,其沖切力計算方法是柱墻荷載減去沖切錐內的實際樁土反力。所以如果沖切椎體范圍確定有誤,沖切力計算往往也是錯誤的。另外傳統軟件對于各種沖切驗算都是在【建?!磕K進行,建模階段是無整體有限元計算結果無實際樁土反力結果的,所以往往采用平均樁土反力,這就造成了沖切力計算存在較大誤差。

下文給出如果沖切對比分析:

1內筒沖切
1? 內筒沖切計算公式:

根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-201184. 8條:

平板式筏基內筒下的板厚應滿足受沖切承載力的要求,并應符合下列規定:

1 受沖切承載力應按下式進行計算:

Fl/umh0 0.7βhp?t/η?????? (848)

式中:

Fl——相應于作用的基本組合時,內筒所承受的軸力設計值減去內筒下筏板沖切破壞錐體內的基底凈反力設計值(kN);

um——距內筒外表面h0/2處沖切臨界截面的周長(m)(848);

hO——距內筒外表面h0/2處筏板的截面有效高度(m);

η——內筒沖切臨界截面周長影響系數,取1.25。

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注意:這里的樁土反力,不能采用筏板下樁、土的平均反力計算;應該采用有限元計算結果得出的樁凈反力值

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2. 框筒結構內筒沖切計算結果對比

框筒結構上部為外鋼框架內混凝土核心筒結構,地下3層,地上54層,總高203m。下部為平筏基礎,埋深為-15.0m,持力層為卵石,主筏板厚度2.0m,主樓下3.3m,核心筒下3.95m。

傳統軟件內筒沖剪結果,見下圖:




平均凈反力=總荷載÷總面積

3.95m厚筏,沖切安全系數0.6,以此推算,筏板厚度增大到6.5m才能滿足要求


YJK基礎設計軟件內筒沖剪結果,見下圖:




荷載 - 反力= 沖切力

沖切安全系數是1.89

規范條文說明


3. 計算結果差異對比分析

兩個軟件驗算結果差異巨大,原因可以通過下表進行分析。

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傳統軟件

YJK

內筒荷載

951396

936211

地基反力

354795

786117

沖切力

596601

150094

安全系數

0.6

1.89

計算結果不同的原因

采用平均基底壓力

采用按彈性地基法計算的實際基底壓力

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以框筒結構平板式筏基為例:核心筒下基底壓力較大,從核心筒向周邊遞減。見下圖:

?? 平均基底壓力?????????????????? 彈性地基梁板法基底壓力分布

對于框筒結構,核心筒、外框、裙房的荷載和剛度差異較大,導致基底壓力不符合直線分布,宜采用有限元計算結果得出的凈反力值計算基底壓力。因筒底壓力較平均值大,沖切力相應減少,筏板厚度更容易滿足要求。

采用平均值基底反力計算是不準確的,因為整個筏板的荷載分布式不均勻的,計算沒有考慮到核心筒內基底壓力要遠大于核心筒外基底壓力,造成計算的基底壓力比實際值小很多。

YJK基礎設計軟件內筒沖切計算書中,計算每個基本組合下的上部荷載、樁土反力、沖切力,給出最不利組合下的驗算結果,見下圖:

2樁筏柱墻沖切
1 樁筏板柱沖切計算依據

依據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)第5.9.7-1條規定要考慮實際沖垮比影響

依據《建筑地基基礎設計規范》第8519,有相同的考慮實際沖垮比影響(下文黑色字體部分)

柱下樁基礎獨立承臺受沖切承載力的計算,應符合下列規定:

1 柱對承臺的沖切,可按下列公式計算(8519-1)

Fl2[αox(bcaoy)αoy(hcaox)]βhp?th0 (8519-1)

FlFΣNi ?????????????????? (8519-2)?

αox0.84/(λox0.2)????????? (8519-3)

αoy0.84/(λoy0.2)????????? (8519-4)

式中:Fl——扣除承臺及其上填土自重,作用在沖切破壞錐體上相應于作用的基本組合時的沖切力設計值(kN),沖切破壞錐體應采用自柱邊或承臺變階處至相應樁頂邊緣連線構成的錐體,錐體與承臺底面的夾角不小于45°(8519-1);

h0———沖切破壞錐體的有效高度(m);

βhp——受沖切承載力截面高度影響系數,其值按本規范第828條的規定取用;

αox、αoy——沖切系數;

λox、λoy——沖跨比,λoxaoxh0、λoyaoyh0,aox、aoy為柱邊或變階處至樁邊的水平距離;當aox(aoy)025h0時,aox(aoy)025h0;當aox(aoy)h0時,aox(aoy)h0;

F——柱根部軸力設計值(kN);

Ni——沖切破壞錐體范圍內各樁的凈反力設計值之和(kN)。

2. 與傳統軟件的樁筏柱墻沖切對比

YJK承臺的柱沖切驗算的技術特點,按照樁基規范(JGJ-2008)第5.9.7條執行,考慮實際沖垮比影響;而傳統軟件總按沖垮比為1.0進行計算。

圖為按照樁基規范第5.9.7條進行柱沖切計算時應正確考慮沖跨比計算的要求。

下圖表示當筏板上的柱與筏板下的樁處于不同的相對位置時,軟件自動形成不同的沖切破壞錐體,該錐體不應是固定的45角,而是在45-75度之間。

圖中白色框為沖切破壞錐體的外輪廓,可以看出該錐體和樁的相對位置關系,當有樁在沖切破壞錐體之內時,該樁向上的反力可以和柱的力抵消,減少柱的沖切力而起到有利的作用。因此,盡量將樁布置在柱下的75度角之內將有利于柱沖切的計算,沖切計算主要確定筏板的厚度,減少沖切力可減少筏板的厚度。

但是如果按照柱下45度計算沖切破壞椎體,由于錐體較大可能把不能算在錐體下的樁也算進去了,這將造成不安全的計算結果。

圖中左邊柱的沖切錐內僅包含1根樁,但是原來軟件按45度計算的沖切錐下有2根樁,從而得出柱沖切滿足要求的錯誤結論,由于沖切破壞是不可修復的基礎最嚴重的破壞形式之一,這樣的錯誤判斷應該糾正。

下圖又是一個對柱沖切原來軟件錯誤計算的實例,原來軟件按45度沖切錐計算可有4根樁在柱的沖切破壞錐體內,但由于按照正確計算其沖跨比大于0.75,沒有樁在錐體內,沖切計算不過。

但是根據計算可以調整樁的布置,在樁間距允許的條件下,我們將樁向內各移動100mm,再重新計算,此時的沖切錐擴大到45度,4根樁都在錐體內,沖切計算滿足了要求。

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3帶邊框柱、多肢組合墻的沖切計算對比及常見問題

傳統軟件目前不能進行帶邊框柱、多肢組合墻的沖切驗算;YJK可以完成所有類型的柱墻沖切驗算,具體細節見下文:

1沖切類型

墻沖切計算程序分為以下幾種:

(1)、單墻沖切:包括所有與其它墻肢或柱有連接的墻體,如下圖所示意,量大面廣。

(2)短肢組合墻沖切L/b<=8:每個墻肢的另一端沒有其它的墻與之相連;每段墻肢的長厚比必須小于8。形成多邊形外包區域計算:

(3) 長肢組合墻沖切L/b>8:

其中(2)短肢組合墻沖切程序可以自動判定。

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2涵蓋帶邊框柱剪力墻的所有情況

沖切驗算時,軟件會將邊框柱和剪力墻合在一起,作為一個驗算單元考慮,相當于一個異形柱。下圖中,外圍輪廓線為沖切錐與筏板底面的交線,內輪廓線為沖切臨界截面:

? 帶邊框柱的墻肢???????? 帶邊框柱的L形墻?????? 帶邊框柱的T形墻

上述三種情形,軟件自動實現墻、柱合算。

其他情況,可通過人工交互的方式,指定需要合算的柱和墻肢,例如:





??????????? 特殊情形下以人工交互方式實現墻、柱合算

采用自動識別+人工交互的方式,基本上可以涵蓋帶邊框柱剪力墻的所有情況??偨Y一下,要點如下:

1、邊框柱和墻肢合成一個計算單元,相當于按異形柱計算;

2、按凸包+偏移的幾何算法,確定沖切破壞錐和臨界截面的輪廓線;

3、驗算臨界截面每個角點上的剪應力,一定涵蓋最大剪應力點;

4、驗算剪應力時,平筏考慮不平衡彎矩

5)、帶樁的筏板會考慮剪跨比影響。

4樁沖切計算差異比較
1樁沖切計算依據

依據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)第5.9.8 位于柱(墻)沖切破壞錐體以外的基樁,可按下列規定計算承臺受基樁沖切的承載力:

所以,當樁心位于柱墻沖切錐范圍內時,無需驗算,R/S50.0。

2與傳統軟件的樁沖切計算對比

某工程,上部為剪力墻結構,地上14層,總高34.8m。下部為樁承臺基礎,埋深為-4.5m,持力層為碎石。

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所以樁沖切兩個軟件存在兩點差異

兩個軟件的共性問題是沒有考慮沖垮比 即柱位置與樁位的關系。

1)傳統軟件沒有過濾掉沖切錐內的樁,仍然驗算了沖切破壞,這是不對的;

2)傳統軟件采用平板式筏板基礎柱沖切計算模式,按樁反力1.25倍的單樁豎向承載力特征值計算,得到滿足要求的筏板非常厚,不經濟。YJK—F基礎軟件采用樁基規范,采用有限元計算樁凈反力,比較準確。

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