作者简介:廖小雄:硕士,结构工程
在目前的地下室采用锚杆抗浮设计中,通常是利用上部结构自重和锚杆共同抗浮,其一般计算方法为:(总的水浮力-结构自重-桩的抗拔力)/单根锚杆承载力=所需锚杆的根数。具体做法是:将锚杆均匀分布在底板下,锚杆间距用底部面积除所需锚杆根数确定。
以上计算方法及具体做法,有如下问题: (1)传力途径不清晰。水浮力是均匀作用在底板上,而结构抗浮力作用(除底板自重外)都具有不均匀性,并不是在整个地下室底板区域均匀分布的,可能是集中在一个点(即柱、桩或锚杆)或一条线上(即墙、梁)。
(2)锚杆均匀分布布置亦存在问题。锚杆受力的大小是与变形相关的,会出现底板中心区域变形大的地方锚杆受力太大,甚至超过承载力特征值形成结构安全隐患,而靠近柱墙区域变形小的地方锚杆受力很小不能充分利用,形成浪费的情况。
因 此针对地下室底板抗浮锚杆这种复杂受力情况,建立有限元模型模拟计算就显得尤为重要。SAFE是国际上通用的针对基础底板的有限元分析软件,MIDAS是 一款结构通用有限元分析和设计软件。本文应用SAFE、MIDAS软件建立了某项目地下室底板锚杆抗浮计算模型,并进行了计算结果比较分析,结果表明,两 种软件的计算结果比较接近,该计算方法能较为准确地模拟锚杆和底板受力变
形情况,实现了地下室底板抗浮锚杆设计。 1 计算基本设定和假定
(1)设定锚杆在弹性状态下受力F(kN)、变形X(mm)之间的关系等同于线性弹簧,即公式:F=KX成立,K即为锚杆刚度(kN/mm)。
(2)设定地下室外侧壁为完全固结约束。 (3)假定桩位置点为完全固结约束。
对假定3来说,为了简化工程计算的繁琐性,同时根据实际工程情况,采取先假定后复核确认的办法,对不满足该假定的另做处理(例如采用增加附加锚杆或加大底板刚度及配筋的办法)使之满足的办法。
2 锚杆刚度K值取值方法 2.1 K值理论计算公式
锚杆弹性受力与变形的关系公式: X=FL/(EA)即:K=F/X=EA/L
式中:X为锚杆伸长值(mm);F为锚杆拉力(kN);L为锚杆自由段长度(mm);E为锚杆弹性模量(kN/mm2);A为锚杆截面积(mm2);K为锚杆刚度(kN/mm)。
2.2 K值试验结果
K=锚杆锚头轴向极限抗拔力检测值/总位移。 2.3 利用已有工程的经验值
已有工程的经验值K=100~200kN/mm。
3 工程实例 3.1 工程概况
深 圳市某工程地下室底板厚度:800mm;底板底标高:76.00m;抗浮水位标高:90.50~93.00m;底板自重标准 值:25×0.8=20kN/m2;垫层自重标准值:20×0.2=4kN/m2;水浮力标准值-底板及垫层自重标准值:121~146kN/m 2;抗拔桩设计抗拔力标准值取为2800kN[1];锚杆设计抗拔力标准值取为450kN[2,3]。本工程的锚杆刚度K取值为150kN/mm。底板 桩、锚杆布置图(局部)见图1。
图1 底板桩、锚杆布置图(局部)
3.2 建立计算模型
由 于桩直径较大,每个桩位置点按正六边形的角点及中心点共7个点来模拟;每根锚杆按1个点模拟。按照基本设定和假定,确定计算模型中,桩位置和地下室外侧壁 位置完全固结,锚杆位置按刚度K为150kN/mm的点弹簧模拟。底板SAFE计算模型见图2;底板MIDAS模型见图3。
图2 底板SAFE计算 图3 底板MIDAS计算
模型(局部) 模型(局部)
3.3 SAFE与MIDAS模型处理的区别
(1)SAFE中用”点弹簧”[4]来模拟锚杆,MIDAS中用”节点弹性支承”[5]来模拟锚杆,弹簧刚度取相同值。
(2)SAFE建模时可以直接由AutoCAD中导入点,MIDAS建模时不能直接导入孤立的点,需要增加辅助线才能导入所需要的点。
(3)MIDAS中直接给划分完单元的外侧壁节
点施加固定约束(根据划分单元的大小,约每米一个固定约束),SAFE 中用”高刚度的线弹簧”[4]来模拟外侧壁固定约束,本工程用于外侧壁的线弹簧刚度为150000kN/mm,也可参照MIDAS做法,在地下室外侧壁上,每米增加一个节点,施加固定约束。
(4)SAFE可以设定板带用于板配筋计算与设计,MIDAS按照三角形或四边形划分单元计算,可以人为控制划分网格的精度,不可以设定板带。 3.4 MIDAS与SAFE模型处理的共同点
(1)均可按DXF文件多次分批导入,均可以设定结构组等。
(2)通过默认的材料重量密度自动考虑砼构件自重;材料的各种参数、重量密度等都是可根据需要人为修改。
3.5 后处理查看结果
计算完成后,可以输出底板变形(位移)结果,水浮力作用下桩位反力,水浮力作用下锚杆反力,底板计算弯矩,底板计算配筋等用于底板结构设计。
4 计算结果比较分析
4.1 变形(位移)结果比较
通过SAFE计算输出的底板位移等值线与MIDAS计算输出的底板位移等值线比较发现,整体趋势较为一致,最大位移均约为3.0mm。 4.2 水浮力作用下桩位反力比较(以ZH1为例)
水浮力作用下桩位反力SAFE、MIDAS计算值见表1。
水浮力作用下ZH1桩位各点反力 表1
由 表1可知,ZH1桩位反力SAFE计算值:F=1329+1393+1426+392+1579+1494+1560=9173kN;由表1可知,ZH1 桩位反力MIDAS计算值:F=1193+1343+1464+361+1646+1536+1620=9163kN。
比较分析结果表明:水浮力作用下各桩位反力计算总值结果比较接近。
4.3 水浮力作用下锚杆反力比较(以锚杆1~34为例)
水浮力作用下锚杆反力SAFE、MIDAS计算值见表2。
水浮力作用下锚杆反力 表2
几乎相等。
4.4 水浮力作用下反力计算总值(含地下室外侧壁 )复核
(1)理论值:136(kN/m2)×3780(m2)+141(kN/m2) ×4860(m2)=1199340kN(方向向上)。
(2)SAFE计算后,桩、锚杆及外侧壁的反力值总和:1199227kN。
(3)SAFE值/理论值=1199227/1199340× 100%=99.99%。
4.5 水浮力作用下反力计算总值(不含地下室外侧壁)比较
(1)SAFE计算值:1027538kN。 (2)MIDAS计算值:1005714kN。
(3)SAFE值/MIDAS值=1027538/1005714× 100%=102.173%;其中桩反力:SAFE值/MIDAS
值=100.67%;锚杆反力:SAFE值/MIDAS值=106.43%。
在 锚杆反力上,SAFE计算值偏大,经过比较后发现:误差主要产生在外侧壁及附近的桩、锚杆反力上,分析计算模型后认为,MIDAS约每米加一个固定约束的 模拟外侧壁作用更加接近实际工程情况,更加准确,SAFE高刚度线弹簧模拟外侧壁固定约束时,精度不够准确,尤其是外侧壁附近的个别锚杆SAFE计算值会 偏大约22%左右。改进的办法是:SAFE建模时,参照MIDAS在外侧壁位置约每米增加一个节点,施加点固定约束,代替高刚度线弹簧的模拟,能得到和 MIDAS相近似的结果。
(4)在点弹簧或节点弹性支承模拟锚杆上,计算结果较为一致。 5 结论
通过该项目采用SAFE、MIDAS进行地下室底板抗浮锚杆计算及结果比较分析可知,SAFE与MIDAS均可以用于地下室底板锚杆抗浮计算,两种软件的计算结果比较接近,该方法能有效地模拟锚杆和底板受力变形位移情况,可用于地下室抗浮锚杆设计。
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只看楼主 我来说两句有原文件吗,看不到图片
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