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2-各类基础在YJK基础软件中采用的计算模型及特点

发布时间:2016-07-13

 

 

各类基础YJK基础软件中采用的计算模型及特点

 

1 基础几种有限元计算模型概述

1倒楼盖计算模型

《地基规范》第8.4.14给出了筏板基础采用倒楼盖计算模型的条件当地基土比较均匀、地层压缩层范围内无软弱土层或可液化土层、上部结构刚度较好柱网和荷载较均匀、相邻柱荷载及柱间距的变化不超过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时,筏形基础可仅考虑局部弯曲作用。筏形基础的内力,可按基底反力直线分布进行计算,计算基底反力应扣除底板自重及其上填土的自重。

《地基规范》第8.3.2给出了地基梁基础采用倒楼盖计算模型的条件在比较均匀的地基上,上部结构刚度较好,荷载分布较均匀,且条形基础梁的高度不小于1/6柱距时,地基反力可按直线分布,条形基础梁的内力可按连续梁计算,此时边跨跨中弯矩及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的系数。

上述规范给出的地基梁基础、筏板基础采用倒楼盖的基本条件可以总结为:上部均衡、基础均匀、地基条件良好,因为只有如此才能满足倒楼盖计算模型的基本假定。

倒楼盖计算模型以下图示意工程为例进行介绍

倒楼盖计算模型主要特点:

1按基础刚体假定计算基底反力,基底反力为线性分布

规范提出的计算基底反力时应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为均布荷载假定,其产生的作用与其反力的作用是相互抵消的,不会引起基础变形和内力的考虑。

软件计算时,考虑到底板自重及其上填土的自重可能存在不均匀。为适应所有情况,计算基底反力时计入底板自重及其上填土的自重,在后面内力计算时考虑这些荷载的影响。这是适应性更强、精确度更好的处理办法,基底反力计算模型,见下图:

2)采用柱墙下竖向不动支座假定的倒楼盖计算模型进行有限元内力分析

倒楼盖计算模型假定柱墙位置为竖向不动支座,柱墙刚度对板转动的约束可以通过考虑上部结构刚度来实现弹性约束。楼盖计算模型不考虑地基土的性质(基床系数)差异对计算结果的影响。作用荷载包括板面荷载及线性分布的地基反力

计算模型见下图:

2弹性地基梁板计算模型

基础满足了规范提出的若干条件才可以使用倒楼盖模型进行有限元计算,使用范围很窄。弹性地基梁法可以考虑上部结构刚度、基础刚度、上部荷载不均匀分布、桩土性质,实现上部基础土共同作用分析,所以适用性没有限制,可以适用于任何条件

基础工程是支撑地基土及桩上的。弹性地基梁板计算模型,基于文克尔假定用线性弹簧来模拟桩土支撑作用。软件土对基础的支撑作用线性弹簧来模拟,弹簧刚度取基床反力系数与梁单元底面积的乘积,桩弹簧刚度直接设定。

弹性地基梁板计算模型,示意如下图:

3倒楼盖计算模型与弹性地基梁板法对比

弹性地基梁板法与倒楼盖都是有限元计算方法,即基础自身都是划分网格后按板元梁元计算模拟。两个计算模型主要差别是:

1)支撑条件不同

倒楼盖法以柱墙位置为竖向不动支座,不考虑桩土的支撑作用(以反力荷载考虑)。

弹性地基梁板法以模拟桩土的线性弹簧作为支撑。

2荷载不同

倒楼盖计算法时,柱墙传递下来的上部结构荷载以线性分布反力形式作用到模型上

弹性地基梁板法时,模型上的荷载是全部实际荷载。

3)计算过程不同

倒楼盖计算方法先按刚体假定计算得到线性分布反力,然后按有限单元法得到位移、内力。

弹性地基梁板法根据有限单元法先计算得到位移、内力,由弹簧位移和弹簧刚度得到实际反力分布。

4)变形和内力存在明显差异

倒楼盖计算是理想简化模型,模型中柱墙位置为竖向不动支座,所以变形和内力特征容易预柱墙位置位移为0,在地基反力作用下房间中部的位移向上,所以柱墙下部位是板底受拉、房间中部是板顶受拉。

实际工程中,若荷载分布不均匀、或桩土支撑刚度差异明显情况下,柱墙位置位移不一定恒小于房间中部位移,实际工程往往呈现出与倒楼盖变形结果不同的变形和内力。只有弹性地基梁板法考虑实际荷载分布、结构刚度及桩土支撑刚度,变形和内力结果能反应所有这些因素影响,是可以模拟各种复杂情况的精确计算方法。

对基础有限元计算的位移和内力结果的一个常见疑问就是:为什么柱墙下不是板底受拉、跨中不是板顶受拉?根源是错误地用倒楼盖计算假定的变形和内力特征去理解弹性地基梁板法的计算结果。

4可考虑拉压刚度不同的非线性分析模型

弹性地基梁板法一种可以模拟复杂基础工程的有限元计算方法。但是该模型中对桩土支撑采用的是刚度不变的线性弹簧,只能适用于整个基础处于受压状态的情况。

考虑到基础工程的边界条件的非线性,即:土只能承担压力,不能承担拉力;普通桩、抗拔锚杆等拉压刚度不同,差异很大。所以如果土或者桩出现了部分受拉的情况,就应该考虑土桩抗拉¥抗压刚度不同的非线性分析模型。

可考虑拉压刚度不同的非线性分析模型,是普通弹性地基梁板法的改进。区别是桩土弹簧由线性弹簧改为拉压刚度不同的非线性弹簧。

从实际工程角度来看,需要进行非线性分析的最常见情况包括:1)进行人防设计的工程;2)抗浮设防水位比较高的工程;3)上部结构荷载特别不均匀的工程;4)较大水平力荷载的工程;

软件默认对含高水的组合、含人防的组合采用非线性分析方法,用户可以自定义工况组合的分析属性。

2 各类基础各项计算内容采用的计算模型

1简单独基、简单承台、砌体条基

简单独立基础,包括不与地梁、筏板以及剪力墙相连的单柱独立基础以及双柱基础梁式独基、四柱双梁独基。简单独立基础参考《建筑地基基础设计规范》8.2节有关规定方法计算内力配筋,其计算模型示意如下图:

简单独立基础计算模型特点:1)假定其地基反力及内力只和本柱荷载有关,不考虑上部结构及其他基础的相互影响;2)按可考虑双向弯矩作用的的双线性分布地基反力计算内力(图示的是单线性分布)3)可考虑大偏心情况下出现零应力情况

砌体条基计算模型类同独立基础,也是参考《建筑地基基础设计规范》8.2节有关规定方法计算内力配筋,其计算模型示意如下图:

简单承台不与地梁、筏板以及剪力墙相连的单柱承台。基于承台为刚性板假定得到线性分布桩反力,然后以柱为支座进行内力计算其计算模型示意如下图:

2筏板、地基梁及复杂独基、复杂承台等整体有限元基础

筏板基础包括平筏、桩筏、梁筏等各式平板类基础

复杂独基指与地梁相连的单柱独立基础、以及剪力墙下或者多柱独立基础。

复杂承台指与地梁相连的单柱承台、以及剪力墙下或者多柱承台。

筏板、地基梁及复杂独基、复杂承台在软件中统称为整体有限元基础,其特点是对基础构件划分网格,采用整体有限元计算模型通过变形协调实现各基础协同工作。检查整体有限元基础的方法是,在【基础计算及结果输出】【网格】

 

整体有限元基础不同计算内容需采用不同计算模型,从计算模型角度可以分为这几项计算内容:

1用于沉降计算的准永久组合,软件中称为沉降模型

2高水之外的其他单工况,以及采用线性分析的非高水基本组合、非高水标准组合,这些线性分析组合的结果是线性叠加单工况计算结果的;

3)高水单工况;

4采用非线性分析的组合,默认是含高水、含人防组合。

整体有限元基础的计算模型软件提供了两个选项:倒楼盖法和弹性地基梁板法,界面见下图:

两个不同选项情况下,整体有限元基础的计算模型要点见下表:

 

倒楼盖法

弹性地基梁板法

准永久组合(沉降计算)

倒楼盖计算模型(不迭代)

弹性地基梁板模型(可迭代)

非高水单工况

及线性分析组合

倒楼盖计算模型

弹性地基梁板模型

高水单工况

内力

倒楼盖计算模型,结果不可用

弹性地基梁板模型

(结果未用)

高水单工况

桩土反力及承载力

倒楼盖计算模型,结果不可用

倒楼盖计算模型

(结果未用)

非线性分析组合

(默认高水、人防组合)

线性组合单工况结果

结果不可用

可考虑拉压刚度不同的非线性分析模型

整体有限元基础选择【倒楼盖法】时,其要点是:

1)沉降计算采用线性分布反力计算,不进行沉降迭代计算;

2)抗浮验算结果包括内力、抗拔承载力结果均不可用,所以如果进行抗浮验算的项目不能选择该选项;

3)其他计算内容(非高水单工况及线性分析组合的内容选用【倒楼盖法】,也要注意《地基规范》第8.4.14条或《地基规范》第8.3.2条给出的适用范围。

整体有限元基础选择【弹性地基梁板法】时,其要点是:

1)沉降计算采用有限元计算得到的反力分布计算,并允许进行迭代计算(选项见下图)以更准确的反力分布计算沉降;

2含高水组合默认是非线性分析,其结果不是单工况叠加得到。所以高水单工况结果是没有使用的,只有在含高水组合采用线性分析时才使用。而且高水单工况内力结果采用的是倒楼盖计算模型高水单工况桩土反力及承载力结果采用的是弹性地基梁板模型。

3高水、人防组合默认是非线性分析,其结果不是来自单工况叠加的,是荷载组合后直接采用采用可考虑拉压刚度不同的非线性分析模型得到

所以,整体有限元基础进行抗浮验算情况只能选用【弹性地基梁板法】,并采用软件模型的非线性分析方法。

3拉梁

YJK基础计算流程中,拉梁在最开始计算。因为其它基础需要得到拉梁传来的荷载,首先进行拉梁计算,才能得到拉梁上荷载的传导结果,才能继续拉梁下其它基础的计算。

拉梁计算模型是以柱位置为支座的交叉梁模型。

整体式有限元基础地基梁比较,拉梁的点是:

1)拉梁不属于整体有限元基础,不与其他基础协同计算,先于其他基础采用独立的以柱为支座的交叉量模型计算的;

2)拉梁的荷载会传递到其他基础。

4防水板

防水板计算模型有几个特点:

1)采用两阶段设计方法,先算防水板,再算其他基础并考虑防水板对其他基础的影响;

2防水板自动采用柱墙为竖向不动支座的倒楼盖计算模型,与计算方法参数的【弹性地基梁板法】、【倒楼盖法】无关(见下图),该方法选项是针对整体有限元基础的

尽管都是以柱墙为竖向不动支座为计算假定,但是整体有限元基础的【倒楼盖法】防水板倒楼盖计算模型的计算荷载有所不同:

1)整体有限元基础的【倒楼盖法】作用是提供上部结构恒活风地震荷载等非抗浮组合下的简化计算方法,不能用于抗浮验算;

2)防水板的倒楼盖计算模型不考虑上部上部结构恒活风地震荷载,核心是提供抗浮组合的简化计算方法。

3 基础工程的变形受力特点

基础工程是支撑在可变形的桩土之上的,所以其受力情况与桩土特性关系较大,呈现弹性支座变形特点。

前文所述的几种基础形式包括:1)简单独基、简单承台、砌体条基;2)整体式基础采用倒楼盖计算方法;3)拉梁;4)防水板,都是采用了理想简化模型,忽略了桩土本身性质对基础变形和受力的影响

本节重点针对整体有限元基础采用考虑桩土性质的弹性地基梁板法时,基础的变形和受力特点进行分析。

有限元基础采用考虑桩土性质的弹性地基梁板法时,其计算模型可以用下图示意:

弹性支座是基础模型的主要特征:采用线性分析情况下,桩土用线性弹簧来模拟;含高水组合等采用非线性分析时,桩土用拉压刚度不同的非线性弹簧模拟。

变形来自荷载对弹性地基梁板模型的作用,所以基础工程的变形特征与上部结构荷载分布、桩土刚度特性有很大关系。

如果上部荷载比较均匀、桩土性质也比较均匀的工程,变形有如下特点:

1由于柱墙位置作用较大的上部结构荷载,所以上部结构恒活风地震荷载等非抗浮组合下其柱墙下变形最大、房间中部变形最小,其变形呈现与倒楼盖模型类似的结果,即柱墙下板底受拉、房间中部板顶受拉。见下图:

2)含高水组合情况下,如果整体抗浮满足,其变形特点仍然是柱墙下变形最大、房间中部变形最小,不过整体平均变形后位置要向上一些。此时其变形也仍呈现与倒楼盖模型类似的结果,即柱墙下板底受拉、房间中部板顶受拉。见下图:

前述是上部荷载均匀、桩土性质也均匀的情况,也是大部分人印象中基础变形特征。而实际上,大部分基础工程存在上部结构荷载不均匀、桩土性质不均匀等情况,所以基础工程变形有时候会呈现与倒楼盖明显不同的变形特征,比如典型的两种情况:

1上部荷载不均匀

上部荷载不均匀导致各柱墙下的位移差别较大,荷载小的柱墙下(图示中部柱墙)位移相对成为向上变形,出现恒活荷载作用下柱墙位置板顶受拉情况,下图:

2)外圈裙房局部抗浮不足形成悬臂板

主楼带裙房工程,由于裙房部分上部结构恒载较小,在抗浮组合中会出现外圈裙房局部抗浮不足情况。裙房一旦出现上部荷载小于水浮力情况(如下图右侧部分)会导致板上抬土弹簧退出工作、形成悬臂板的变形特征,出现抗浮组合情况下整个裙房区域板底受拉情况,见下图: