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1 概況及設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于四柱下群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，隨著設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，可用設(shè)計(jì)手段也愈發(fā)豐富，但如何在滿足結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上選取最實(shí)用可靠的設(shè)計(jì)方法對(duì)不少工程師造成困擾。由此本文選用若干常用的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算、對(duì)比分析，其實(shí)質(zhì)是傳統(tǒng)計(jì)算方法與有限元計(jì)算方法之間的比較;并采用空間桁架模型方法與前者相互校驗(yàn)。

某塔架采用鉸接柱腳形式，由于上部荷載工況繁多，本文僅列出經(jīng)過初步計(jì)算得到的控制工況:#1～#4柱腳X、Y 及Z 向荷載分別為:-40、15、-430;-230、-180、-3650;-170、-190、3170;-50、-40、-10 單位kN。坐標(biāo)軸、柱腳編號(hào)及基樁編號(hào)見右圖;對(duì)于Z 向荷載負(fù)值為拉力，正值為壓力。

選用30m 有效長度，直徑1m 的鉆孔灌注樁進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，其豎向承載力特征值為2575kN。

2 常用軟件計(jì)算及結(jié)果對(duì)比

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過初步計(jì)算選取埋深2.5m、厚度為1.2m 的9樁承臺(tái)分別采用各常用軟件進(jìn)行計(jì)算、對(duì)比分析。各軟件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)輸入應(yīng)盡量保持一致。

理正工具箱:采用多柱樁承臺(tái)模塊，基礎(chǔ)與覆土平均容重21.36kN/m3。承臺(tái)各計(jì)算截面上下部各方向主筋均為1800mm2/m(構(gòu)造配筋)。

PKPM.JCCAD(樁基承臺(tái)模塊):PKPM 的使用需對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，以四根短柱作為上部結(jié)構(gòu);底以上土的加權(quán)平均重度18kN/m3。承臺(tái)底面兩方向主筋均為1800mm2/m(構(gòu)造配筋)，承臺(tái)頂部無配筋結(jié)果。

PKPM.JCCAD(筏板有限元模塊):基樁剛度根據(jù)地質(zhì)資料確定為2000000kN/m，基床系數(shù)為0，筏板頂面恒載23.4kN/m2。筏板各區(qū)域均勻配筋均為2400mm2/m(構(gòu)造配筋，計(jì)算結(jié)果最大值2364)。

MIDAS.GEN:短柱、樁基采用梁單元，承臺(tái)采用板單元，邊界條件采用樁彈性支撐?？捎?jì)算得承臺(tái)板各荷載組合時(shí)的各向彎矩。

經(jīng)過對(duì)比可知，兩種有限元方法得到的板內(nèi)彎矩在同一數(shù)值水平上，考慮到兩軟件單元?jiǎng)澐峙c統(tǒng)計(jì)方式的差異及部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，可認(rèn)為兩者計(jì)算結(jié)果基本一致;在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可采用兩軟件互相校核的方式，但MIDAS 軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分要優(yōu)于PKPM，結(jié)果輸出也更直觀。

由于多柱的存在，承臺(tái)上部可能會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，此時(shí)JCCAD的樁基承臺(tái)模塊的配筋形式是不合理的。對(duì)于存在柱間負(fù)彎矩的承臺(tái)常用的配筋形式還有暗梁式，其在工程應(yīng)用中能夠節(jié)約一定的鋼筋但效果有限，且大大增加了施工難度，本文僅以均勻配筋作為研究對(duì)象。

表2.1 控制工況各基樁反力標(biāo)準(zhǔn)值

由表2.1 可知(暫不比較空間桁架)，各軟件計(jì)算結(jié)果均存在差異。其影響因素主要有:第一，計(jì)算假定的差異，理正與PKPM 承臺(tái)均將承臺(tái)視為剛體，充當(dāng)短柱與樁之間的傳力構(gòu)件，由樁基規(guī)范的方法得出反力;而PKPM 筏板與MIDAS 則采用有限元的方法考慮短柱、承臺(tái)與基樁之間的變形協(xié)調(diào)，根據(jù)網(wǎng)格劃分計(jì)算出基樁反力。第二，由于上部覆土荷載的計(jì)算差異及有限元網(wǎng)格劃分的不同導(dǎo)致。第三，如果承臺(tái)之間存在聯(lián)系構(gòu)件時(shí)，不同軟件對(duì)其剛度影響的處理也存在差異。

對(duì)于相同的計(jì)算假定，只要合理的控制各軟件主要計(jì)算參數(shù)的輸入就能夠?qū)⒉町惪刂圃谳^小的范圍，各軟件算出的7 號(hào)基樁處的最大反力差異在5%以內(nèi)，對(duì)工程設(shè)計(jì)幾乎沒有影響。

3 空間桁架計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)單柱、雙柱空間桁架計(jì)算方法的研究結(jié)果可嘗試將其用于四柱的樁基承臺(tái)研究。四柱聯(lián)合樁基承臺(tái)空間桁架模型一般均為超靜定桁架，其內(nèi)力計(jì)算需首先設(shè)定混凝土斜桿及鋼筋拉桿截面尺寸，可采用MIDAS 計(jì)算桁架各桿內(nèi)力。同時(shí)可得到各邊界反力(即基樁反力，見表3.1)。

空間桁架方法的基樁反力結(jié)果與常用軟件的計(jì)算結(jié)果趨勢一致但各基樁之間的差異性更大。這是由于該方法將承臺(tái)中原本模糊的傳力路徑清晰、明確的表達(dá)出來，忽略了應(yīng)力流的發(fā)散同時(shí)削弱了均勻性，但不影響空間桁架對(duì)于承臺(tái)的模擬，且計(jì)算值偏于保守。對(duì)于桿件內(nèi)力，由于上部柱腳存在較大的拉力，使得該柱腳處出現(xiàn)斜拉桿;但考慮到柱腳受拉錨桿在承臺(tái)中的錨固特性，該處并不會(huì)出現(xiàn)如此明確的斜拉桿路徑，這也是空間桁架模型存在的缺陷，實(shí)際設(shè)計(jì)工作中可采用針對(duì)性構(gòu)造措施以抵抗斜桿拉力。最大斜壓桿受力3789.8kN，在其承載力范圍內(nèi)，斜壓桿截面積取0.6 倍樁截面面積;水平拉桿的最大拉力為1547.2kN，需在2 倍樁徑范圍內(nèi)配筋2149mm2/m，該結(jié)果較之筏板有限元方法的2364 基本相當(dāng)。

4 結(jié)論

對(duì)于工程設(shè)計(jì)中遇到的四柱下群樁基礎(chǔ)不建議采用常規(guī)剛性承臺(tái)的方法計(jì)算，可采用有限元方法且使用不少于兩個(gè)軟件進(jìn)行相互校核，取各軟件所長并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷。而空間桁架模型方法可使設(shè)計(jì)人員對(duì)其傳力路徑更加明確，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性構(gòu)造加強(qiáng)，同時(shí)應(yīng)認(rèn)清其缺陷所在，合理利用計(jì)算結(jié)果。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中還應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)，有重點(diǎn)選取方法更深入的計(jì)算分析。

［1］JGJ94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］王坦，周麗丹.基于空間桁架模型的樁基礎(chǔ)厚承臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議［J］.混凝土與水泥制品，2014，(05):34-37.

［3］熊建輝.雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究［D］.湖北:華中科技大學(xué)，2005.

［4］謝云飛.群樁下聯(lián)合基礎(chǔ)承載力研究［D］.江蘇:揚(yáng)州大學(xué)，2007.