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抗拔樁對結構底板內力影響的分析

來源: 云南建筑2016年第4期 點擊: 1667 2017-09-28 10:01

摘要:針對民用建筑中地下水位較高,純地下室部分的自重不足以抵消水浮力的普遍現象,為探索行之有效的抗浮措施,依托SPA2000、ABAQUS 有限元軟件,模擬抗拔樁對結構底板作用的受力狀態,建立精細化有限元結構分析模型。通過對考慮抗拔樁抗拔力對地下室底板的有利作用下,及不考慮抗拔樁抗拔力對地下室底板的有利作用下的結構內力分析,進而分析得出抗拔樁抗拔力對結構底板配筋的影響,提高地下室底板的經濟性。

關鍵詞:SAP2000   抗拔樁   底板內力



 抗拔樁對結構底板內力影響的分析

Analysis of the Effects of Uplift Pile on internal Force of Basement Blab

李德文,云南中建人文建筑設計研究院有限公司,建筑及規劃設計研究所,結構工程師


       因地下水浮力所造成的建筑物、構筑物等上部結構發生傾斜、倒塌的事故屢屢發生。隨著經濟的發展,民用建筑中設置地下室的工程越來越多,而且面積更大、基礎底板的埋深也越來越大。在抗浮設計水位較高的情況下,結構整體抗浮往往能滿足規范要求,但對于無上部結構的純地下室部分,自重不足以抵消水浮力,此時地下水浮力作為對結構設計起控制作用荷載考慮,且為保證結構的局部抗浮穩定性,必須采取抗浮措施,其中抗浮樁就是普遍采用的抗浮措施。在工程實踐中,抗浮樁主要布置于局部抗浮不足的純地下室部分。然而,在工程實踐中,由于缺乏方便可行的分析方法,設計人員在計算地下室底板及地梁的配筋時,往往不考慮抗拔樁對底板及地梁配筋的有利作用,無疑會造成結構斷面或配筋的增加。
       理論上,我們可以將抵抗水浮力的結構抗力分解為結構本身自重和樁身抗拔力兩個部分,其中結構自重是通過結構的豎向構件柱傳至基礎及地梁,然后再分配至底板上的,由于相應的反作用力的效應,會在底板及地梁中產生內力。而抗拔樁產生的抗拔力部分,則是通過樁承臺傳至底板、柱或者梁上,再分配至底板上的,由于抗拔樁作用多樣性,導致該部分對應的反作用水浮力產生的內力具有復雜性,根據工程實際,研究上述兩種作用效應下底板的簡化計算方法具有理論意義。
       需要進行抗浮設計的工程,結構自重抵消部分水浮力,其余的水浮力由抗拔樁承擔,抗拔樁是一種附加的抗浮措施,但是抗拔樁與地下室底板連接后會對底板產生作用【1】文章依托SAP2000、ABAQUS有限元軟件,建立研究對象的精細化有限元結構分析模型,分析水浮力作用下考慮抗拔樁對地下室底板的有利作用和不考慮抗拔樁對地下室底板的有利作用的結構精確內力,進而分析抗拔樁抗拔力對結構底板配筋的影響。


1、抗浮樁對結構受力的影響
       純車庫部分設置抗拔樁之后會對車庫結構本身的結構本身的受力產生影響,在不計如側壁的影響下抗浮安全系數按1.05 考慮。下面昆明某工程大型地下室為例進行說明, 該工程地下室為2 層框架結構,底板埋深8.9 m ,頂板覆土2m ,水頭高度按8m 考慮,框柱跨度7.8 m ×7.8 m 。(圖1)
       水頭高度按8 m 考慮時,純地下室部分自重不足以抵消水浮力,需采取抗浮措施。由于純地下室部分局部抗浮不足,根據計算可知每個框架柱下面需設置4 根抗拔樁。現分別采用SAP2000 和ABAQUS 有限元軟件,對考慮抗拔樁對地下室底板有利時,進行結構內力計算分析;采用SAP2000 有限元軟件,對不考慮抗拔樁對地下室底板有利時,進行結構內力計算分析。
       不同模型采用的構件材料及參數均為一致,從而得到更有意義的分析結果。抗拔樁分別采用彈簧模擬和支座模擬,核心問題是如何確定彈簧剛度【2】
根據抗拔靜載試驗報告所提供的力-位移曲線(P- △曲線),當上拔力從0 逐漸加大到1200 kN 時(將抗拔樁的彈簧剛度單位轉換為1200 kN /10 mm =1.2 × 105kN/m),抗拔樁上拔量到達第一個拐點,約6 mm 。


2、考慮抗拔樁對結構的影響
2.1 有限元計算模型及彎矩
      為避免單一軟件的計算結果與實際工程情況誤差性,確保有限元分析結果得到更真實的樓板應力分布情況,考慮抗拔樁對地下室底板有利時, 樓板內力分析采用SAP2000 和ABAQUS 兩個軟件同時分析,這樣應力分析結果將更有說服力。
SAP2000 模型中抗浮樁抗定義為彈簧,彈簧剛度按抗拔靜載試驗報告所提供的力-位移曲線計算值計入;ABAQUS 模型中抗浮樁按樁輸入,樁剛度同SAP2000 彈簧剛度。不同模型采用的構件材料及參數均為一致,以減小有限元分析結果的誤差。
      標準組合下SAP2000 模型結構的位移曲線如(圖2) 所示。由圖可知,底板最大位移約為10 mm ,抗拔樁的最大位移約為6.6 mm 。
      標準組合下SAP2000 模型結構的彎矩圖如圖3、圖4 所示。由圖可知柱上板帶最大支座負彎矩約為811 kN·m ,跨中板帶最大彎矩約為180 kN·m 。
2.2 有限元計算模型及剪力
      標準組合下SAP2000 模型結構的應力圖如圖5、圖6 所示。標準組合下ABAQUS 模型結構的應力圖如圖7、圖8 所示。
      由圖可知樓板應力分析結果SAP2000 與ABAQUS 的殼應力接近,誤差不大于5%。


3、不考慮抗拔樁對結構的影響
3.1 有限元計算模型及彎矩
      模型中不考慮抗浮樁剛度,即抗浮樁作為支座考慮。SAP2000 模型中抗浮樁定義為只約束U3 方向的支座。
      標準組合下SAP2000 模型結構的位移曲線如圖9 所示。由圖可知,底板最大位移約為3.3 mm ,抗拔樁的最大位移約為0 mm 。
      標準組合下SAP2000 模型結構的彎矩圖如圖10、圖11 所示。由圖可知柱上板帶最大支座負彎矩約為824 kN·m ,跨中板帶最大彎矩約為200 kN·m 。
3.2 有限元計算模型及剪力
      標準組合下SAP2000 模型結構的應力圖如圖12、圖13 所示。


4、抗浮樁按不同剛度計算時對結構的影響
      抗浮樁按彈簧剛度分別按1×105 kN/m 和0.8×105 kN/m 計入模型,以分析在不同抗浮樁剛度下結構底板的受力情況。
      標準組合下SAP2000 模型結構的彎矩圖如圖14、圖15 所示。由圖可知柱上板帶最大支座負彎矩約為819 kN·m ,跨中板帶最大彎矩約為196 kN·m 。


5、有限模型分析結果對比
5.1 考慮抗拔樁對地下室底板有利
       和不考慮的計算結果做對比現對考慮抗拔樁對地下室底板有利和不考慮的計算結果做對比,如(表1) 所示。
       從計算結果可見,考慮抗拔樁對地下室底板有利時,抗拔樁的計算位移量為6.6 mm ,底板的計算位移量為10 mm ;不考慮抗拔樁對地下室底板有利時,抗拔樁的計算位移量為0 mm ,底板的計算位移量為3.3 mm 。雖然從計算結果來看考慮抗拔樁對地下室底板有利的計算位移量大于不考慮的,但是兩者的計算位移的差值是接近的。
       對于跨中和支座的最大彎矩,考慮抗拔樁對地下室底板有利時跨中和支座的最大彎矩分別為811 kN·m 和180 kN·m ;不考慮抗拔樁對地下室底板有利時跨中和支座的最大彎矩分別為824 kN·m 和200 kN·m 。從彎矩的計算結果來看計算配筋的差異并不大,但從目前民用建筑來看,地下車庫的面積越大,考慮抗拔樁對地下室底板有利對結構底板配筋的影響越大。
5.2 抗浮樁按不同剛度計算時計算結果做對比
      現對考慮抗拔樁對地下室底板有利和不考慮的計算結果做對比,如(表2) 所示。
      從計算結果可見,抗浮樁剛度變化會影響樓板內力變化,隨著抗浮樁樁身剛度的增大,樓板的內力也會減小,反之則增大。在滿足豎向抗壓承載里的前提下,當地下室采用剛度較大的工程樁時,地下室底板的配筋能夠減小。從而能提高底板的經濟性。


6、結論
     本論文分析了水浮力作用下考慮抗浮樁對地下室底板的有利作用和不考慮抗浮樁對地下室底板的有利作用的結構內力。得出如下結論:
1) 雖然考慮抗拔樁對地下室底板有利時, 采用SAP2000 和ABAQUS 兩個軟件進行分析,但兩個軟件的有限元分析結果誤差不大于5%。說明分析結果的可靠性得到保證。
2) 雖然從計算結果來看考慮抗拔樁對地下室底板有利的計算位移量大于不考慮的,但是兩者的計算位移的差值是接近的。
3) 從彎矩的計算結果來看計算配筋的差異并不大,但從目前民用建筑來看,地下車庫的面積越大,考慮抗拔樁對地下室底板有利對結構底板配筋的影響越大。
4) 抗浮樁剛度變化會影響樓板內力變化,隨著抗浮樁樁身剛度的增大,樓板的內力也會增大,反之則減小。在滿足豎向抗壓承載里的前提下,當地下室采用剛度較小的工程樁時,地下室底板的配筋能夠減小。從而能提高底板的經濟性。


參考文獻
[1] 孫仁范,劉躍偉,徐青,蔡軍,魏璉.帶地下室或裙房高層建筑抗浮錨桿整體計算方法[J].建筑結構,2014,06;P27-30.
[2] 羅旭.抗撥樁對地下結構受力的影響[J].廣東土木與建筑,2014.05;P17-19.
[3] 東南大學,同濟大學,天津大學.混凝土結構(中冊):混凝土結構與砌體結構設計[M].5 版.北京:中國建筑工業出版社,2012.
 


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