李明琛,王 珺
(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學 建筑設計研究院,安徽 合肥 230009)
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地下工程抗浮結構及與主體結構共同作用優(yōu)化設計探討
李明琛1,王珺2
(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009;2.合肥工業(yè)大學 建筑設計研究院,安徽 合肥230009)
摘要:文章通過有限元軟件Midas building和SAP2000模擬,探討抗浮錨桿的布置方式、抗浮錨桿剛度對筏板撓度、彎矩的影響,對比不同情況下筏板的撓度、彎矩,對抗浮工程進行多種抗浮結構方案分析優(yōu)化,總結出具有普遍實用性的優(yōu)化方案。
關鍵詞:抗浮錨桿;剛度;變形協(xié)調;有限元
1工程實例
隨著城市化發(fā)展,城市用地越來越緊張,需大量開發(fā)地下空間,而地下空間面臨最核心的問題就是抗浮設計[1-3]。在實際抗浮設計中,多采用抗浮錨桿[4-7]。
某地下室外地面標高H1為0 m,頂板頂面標高H2為1 m,頂板覆土厚度d0為1 m,覆土容重γ為20 kN/m3,設防水位標高Hw為0.5 m;頂板厚度d1為0.25 m,頂板主梁截面b×h=0.5 m×1 m,次梁截面b×h=0.3 m×0.8 m,柱截面h1×h1=0.5 m×0.5 m;地下室長度為42 m,寬度為42 m,地下室層高h為6.5 m;底板為筏板基礎,底板厚度d2為400 mm,筏板上素混凝土厚度d3為200 mm,容重γ3為20 kN/m3,混凝土容重γ4為25 kN/m3。
2帶下柱墩筏板
帶下柱墩筏板平面布置如圖1所示。
圖1 帶下柱墩筏板平面布置圖
下柱墩尺寸為2.5 m×2.5 m,下柱墩加筏板厚d4為800 mm。選取圖1中A處柱網為計算單元,經計算,水浮力Fw為76 kN/m,柱網面積S為70.56 m2,抗浮力G總為3 200.83 kN。
2.1抗浮驗算
根據(jù)文獻[8],建筑物基礎存在浮力作用時,應進行抗浮穩(wěn)定性驗算,即
其中,KW為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),一般情況下可取1.05;GK為建筑物自重及壓重之和;NW,K為浮力作用值,由NW,K=FWS=4 656.96 kN。再由
3 200.83=1 688.98 kN
由此可見,需要錨桿提供1 688.98 kN的力才能使圖1中A處抗浮穩(wěn)定。
2.2計算簡圖
在計算中,為便于分析錨桿對筏板撓度、裂縫和配筋的影響,可以將板倒置,如圖2所示。在建模計算時,筏板及筏板上的素混凝土墊層自重不再計入[9]。
圖2 帶下柱墩筏板計算簡圖
此時,F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。
2.3錨桿布置
運用Midas building和SAP2000對筏板建模,計算在筏板(除柱下位置)每個柱網內不布置錨桿、布置5根、8根錨桿情況下的筏板跨中撓度、彎矩。
每個柱網內錨桿布置如圖3所示。
圖3 每個柱網內錨桿布置圖
(1) 每個柱網內布置N=5根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=337.80 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=253.35 kN,取F預拉力=254 kN。
(2) 每個柱網內布置N=8根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=211.23 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=158.42 kN,取F預拉力=159 kN。
3梁板式筏板
梁板式筏板平面布置如圖4所示,圖中數(shù)字表示柱網編號,梁截面尺寸為350 mm×750 mm,筏板厚度d2為400 mm。
圖4 梁板式筏基平面布置圖
3.1計算單元
取圖4中C處柱網為計算單元,參照帶下柱墩筏板模型,經計算,G總=3 134.13 kN,F錨桿≥1.05NW,K-G總=1 755.68 kN。
同理,由F1=1.35 Fwγ3d3γ4d2=88.2 kN/m。
3.2錨桿布置
(1) 每個柱網內布置N=5根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=351.14 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=263.35 kN,取F預拉力=264 kN。
(2) 每個柱網內布置N=8根錨桿,每根錨桿的平均拉力F拉=F錨桿/N=219.46 kN;錨桿的預拉力F預拉力=F拉×0.75=164.60 kN,取F預拉力=165 kN。
4不同錨桿布置方式的影響
4.1對撓度的影響
不同情況下,筏板撓度折線如圖5所示。
圖5 不同情況下筏板撓度折線圖
4.2對彎矩的影響
錨桿布置方式改變對應的筏板各彎矩值如圖6所示。圖6中,M1為帶下柱墩筏板邊跨的最大正彎矩,M2為帶下柱墩筏板邊跨的最大負彎矩,M3為梁板式筏基邊跨的最大正彎矩,M4為梁板式筏基邊跨的最大負彎矩。
圖6 錨桿布置方式改變對應的筏板各彎矩值
為簡化計算模型,可近似用彈簧模擬不同剛度的錨桿[10]。彈簧在一定變形內滿足Hooke's law,即F=-kx,k為彈簧剛度,x為彈簧變形。以梁板式筏基為例,在每個柱網內布置5根錨桿,其錨桿剛度變化對應的地下室筏板跨中撓度如圖7所示。
圖7 錨桿剛度變化對應的地下室筏板跨中撓度值
5結論
(1) 在筏板(除柱下位置)布置抗浮錨桿,能夠有效減小筏板的撓度、彎矩。
(2) 帶下柱墩筏板中,在每個柱網內不布置錨桿時的筏板撓度較大,在每個柱網內布置5根錨桿和8根錨桿時筏板的撓度比較接近,顯然布置5根錨桿節(jié)省錨桿,經濟性更好。
(3) 梁板式筏基中,在每個柱網內不布置錨桿時的筏板撓度較大,在每個柱網內布置5根錨桿和8根錨桿時筏板的撓度比較接近,顯然布置5根錨桿節(jié)省了錨桿,經濟性更好。
(4) 帶下柱墩筏板與梁板式筏基對比,梁板式筏基的撓度總體較小。
(5) 帶下柱墩筏板中,筏板的負彎矩絕對值比梁板式筏基的負彎矩絕對值要小,兩者筏板的正彎矩值接近。每個柱網內布置5根錨桿和布置8根錨桿時,其筏板的正負彎矩值接近。
(6) 筏板撓度隨著錨桿剛度的增大而減小,當錨桿剛度較小時,筏板撓度隨著錨桿剛度改變變化較大;當錨桿剛度較大時,筏板撓度隨著錨桿剛度改變變化較小。因此,可以通過對錨桿施加預應力改變錨桿的剛度,將錨桿剛度控制在一定值。
(7) 在工程上梁板式筏基施工較繁瑣,故應用較少,帶下柱墩筏板應用較多。
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收稿日期:2016-03-29;修改日期:2016-04-01
作者簡介:李明琛(1992-),男,安徽廣德人,合肥工業(yè)大學碩士生;
中圖分類號:TU473
文獻標識碼:A
文章編號:1673-5781(2016)02-0239-03
王珺(1965-),男,安徽桐城人,碩士,合肥工業(yè)大學教授級高工.