蔣志文

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510150）

1 引言

作為結(jié)構(gòu)算例，為使對(duì)比簡(jiǎn)潔直觀，模型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單。選擇一個(gè)半埋地的矩形水池分別采用盈建科YJK-V3.0.2 版，上海佳構(gòu)軟件科技有限公司通用的建筑結(jié)構(gòu)軟件佳構(gòu)STRATV7.2、MIDAS Gen 2020 版進(jìn)行計(jì)算分析。本文僅探討高水工況組合下底板內(nèi)力差異并結(jié)合軟件技術(shù)文檔及自身工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行深入分析。

2 結(jié)構(gòu)概況

水池平面尺寸為20 m×12 m×5 m，底板底標(biāo)高-3.5 m，底板厚度0.5 m，外挑1.3 m，池壁厚度0.4 m，頂板厚度0.4 m，頂板上覆土厚度0.7 m。如圖1 所示。

圖1 水池剖面圖

3 參數(shù)取值

1）土重度γt=18 kN/m3，鋼筋混凝土重度γc=25 kN/m3，水容重γw=10 kN/m3；

2）池頂綠化活荷載q=3.5 kN/m3；

3）池內(nèi)水位：按滿水4.6 m 計(jì)；

4）地下水位：水位取地面，主動(dòng)土壓力系數(shù)為0.5，水土分算；

5）地基基床系數(shù)取值20 000 kN/m3。

4 整體抗浮計(jì)算

由于YJK、STRAT、MIDAS Gen 計(jì)算前提為模型必須滿足整體抗浮，為使計(jì)算結(jié)果收斂，故需要先驗(yàn)算整體抗浮。

手工驗(yàn)算抗浮力R=18 806 kN；

浮力F=23×15×13.6×110=12 420 kN；

抗浮安全系數(shù)K=R/F=1.51。

5 模型處理

對(duì)于水池結(jié)構(gòu)，YJK 采用在上部結(jié)構(gòu)模塊增加筏板及水池荷載的解決方案，外水土壓力在地下參數(shù)中設(shè)置后由程序自動(dòng)生成，由于高水工況組合涉及非線性計(jì)算假設(shè)，基礎(chǔ)底板內(nèi)力需轉(zhuǎn)至下部基礎(chǔ)模塊進(jìn)行計(jì)算。

STRAT、MIDAS Gen 軟件建模均在同一窗口實(shí)現(xiàn)，故按實(shí)際輸入進(jìn)行建模。

6 計(jì)算結(jié)果

由表1 可知，現(xiàn)階段各軟件在高水組合工況下內(nèi)力計(jì)算差別很大。其中YJK 底板支座處反力異常，STRAT（單拉）計(jì)算結(jié)果與MIDAS Gen 接近，STRAT（協(xié)同）計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于YJK 與MIDAS Gen。YJK壁板與底板連接處節(jié)點(diǎn)內(nèi)力不平衡，STRAT 與MIDAS Gen 節(jié)點(diǎn)內(nèi)力剖面基本平衡，如圖2、圖3 所示。

表1 各軟件計(jì)算內(nèi)力結(jié)果對(duì)比表

圖2 STRAT（單拉/協(xié)同）內(nèi)力剖面(單位：kN·m)

圖3 MIDAS Gen 內(nèi)力剖面(單位：kN·m)

7 原因分析

查看各軟件對(duì)高水工況下技術(shù)文件說明及宣傳資料，對(duì)YJK 內(nèi)力異常問題將模型發(fā)回YJK 官方檢驗(yàn)后，產(chǎn)生差別的緣由如下。

7.1 計(jì)算假定的不一致是導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不一致的最主要原因

YJK 高水工況組合下采用其主張的非線性計(jì)算，即先將重力（包括覆重）和外水壓進(jìn)行組合，以此判斷地基彈簧受力范圍，確定邊界條件，最后形成新的計(jì)算模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。內(nèi)力為重力與外水荷載組合計(jì)算得出的內(nèi)力，無單獨(dú)外水工況內(nèi)力輸出（軟件輸出單工況外水內(nèi)力為倒樓蓋假定下的內(nèi)力，無意義）。

STRAT 軟件協(xié)同計(jì)算模式，采用總量控制負(fù)彈簧模型。其原理為：根據(jù)柱底集中力相對(duì)大小，將基礎(chǔ)底面土彈簧比例分配到單個(gè)柱底反向作為僅對(duì)水浮力起作用的彈簧支座，利用支座彈簧作為邊界條件計(jì)算外水工況反力，而外水工況下地基彈簧不完全失效，重力荷載下內(nèi)力與外水工況下內(nèi)力最后進(jìn)行疊加。根據(jù)軟件推導(dǎo)，高水工況下的底板組合內(nèi)力大于地基反力對(duì)底板產(chǎn)生的內(nèi)力，同時(shí)也大于水浮力單獨(dú)作用產(chǎn)生的內(nèi)力，軟件采用了疊加而非包絡(luò)的方式。這也是STRAT推薦的計(jì)算模式。

MIDAS Gen 高水工況組合解決方案與YJK 及STRAT（單拉）思路基本一致，都是按照先組合荷載—判定地基單壓土彈簧有效范圍—形成新邊界條件—組合荷載后進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。不同的是，MIDAS Gen 需要在荷載輸入階段就將外水壓荷載放置在恒載工況下。結(jié)果查看中內(nèi)力為重力與外水荷載組合計(jì)算得出的內(nèi)力，無單獨(dú)外水工況內(nèi)力輸出。

YJK、MIDAS Gen 的高水工況計(jì)算方案的結(jié)果為：在外水作用下，由于簡(jiǎn)單判定地基彈簧是否有效，未考慮基礎(chǔ)底板非均勻性、土體壓縮回彈性，重力荷載變?yōu)橛欣奢d，抵消了一部分水浮力，得到的內(nèi)力既小于水浮力單獨(dú)作用產(chǎn)生的內(nèi)力也小于重力荷載單獨(dú)作用下的內(nèi)力。

而STRAT（協(xié)同）總量控制負(fù)彈簧模型，可以視為改良的倒樓蓋法，考慮上部結(jié)構(gòu)影響，將倒樓蓋墻柱固定變?yōu)閺椥灾ё鵞1]。由于外水作用下地基彈簧仍有效，即此時(shí)重力作用下地基反力產(chǎn)生的內(nèi)力并未因外水工況而減小，將外水工況下內(nèi)力與重力荷載下內(nèi)力進(jìn)行疊加得出內(nèi)力為兩者之和。

YJK、MIDAS Gen 及STRAT（單拉）計(jì)算結(jié)果偏小，而STRAT 計(jì)算結(jié)果偏于保守。

7.2 軟件解決方案的整體連貫性是導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)內(nèi)力不協(xié)調(diào)的主要因素

YJK 雖然能在上部進(jìn)行筏板建模，但當(dāng)涉及高水工況時(shí)，必須轉(zhuǎn)到基礎(chǔ)模塊分開進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算（上部等值線顯示的基礎(chǔ)內(nèi)力異常，不可用）。軟件目前是通過考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的方式來反映池壁和底板整體協(xié)調(diào)變形，池壁和底板之間并不是采用彈性連接，計(jì)算結(jié)果類似簡(jiǎn)支。

YJK 在上部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)上，內(nèi)力簡(jiǎn)化處理，傳導(dǎo)也不完整。在YJK 中，用戶需要考慮是否將上部結(jié)構(gòu)計(jì)算的擋土墻土壓力和自定義恒載增加到計(jì)算恒載中；是否將上部結(jié)構(gòu)計(jì)算的擋土墻水壓力和自定義活載增加到計(jì)算活載中[2]。這些工況在基礎(chǔ)上是沒有對(duì)應(yīng)荷載工況的，因此，這里須由人工交互指定這些荷載是否在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中考慮。上部結(jié)構(gòu)計(jì)算中對(duì)于存在地下室的情況，程序會(huì)增加一個(gè)土壓力和水壓力工況。軟件通過將上部結(jié)構(gòu)計(jì)算的擋土墻土壓力和自定義恒載工況疊加到計(jì)算恒載中，將上部結(jié)構(gòu)計(jì)算的擋土墻水壓力和自定義活載工況疊加到計(jì)算活載中，從而實(shí)現(xiàn)考慮這些荷載對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)件內(nèi)力配筋等計(jì)算結(jié)果的影響。

在YJK 的上部結(jié)構(gòu)荷載中，同一工況在基礎(chǔ)模塊下以不同方式、不同工況拆分進(jìn)行處理。如內(nèi)水壓、豎向荷載以活荷載工況均布面荷載形式加載至底板，而此時(shí)內(nèi)水壓工況僅含上部結(jié)構(gòu)計(jì)算出來的池壁水平荷載，在處理方式上按墻體長(zhǎng)度分?jǐn)傊恋装?，再作為荷載考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)底板進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，導(dǎo)致上部荷載在基礎(chǔ)板未考慮板帶所處位置，處于底板中心板帶支座內(nèi)力偏小。上部結(jié)構(gòu)水平荷載（外水、外土）有同樣問題。

STR、MIDAS Gen 中上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)建模計(jì)算結(jié)果顯示高度統(tǒng)一，故計(jì)算出來的結(jié)果能達(dá)到節(jié)點(diǎn)內(nèi)力平衡，單元變形協(xié)調(diào)。且在構(gòu)件輸入、節(jié)點(diǎn)連接、荷載輸入及組合、邊界條件設(shè)置時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際靈活自主操作。在對(duì)模型、荷載、邊界條件復(fù)核上STR、MIDAS Gen 更為直觀，有別于傳統(tǒng)模型，依靠大量參數(shù)設(shè)置對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化且不易復(fù)核修改。

8 結(jié)語

地下水池結(jié)構(gòu)在高水工況作用下，由于地基反力不均勻，支座反力大、跨中反力小，土體受力壓縮、回彈的復(fù)雜機(jī)理，在水浮力作用下，重力荷載、水浮力在底板上產(chǎn)生的內(nèi)力是疊加還是取較大值，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行區(qū)分。在此建議，當(dāng)整體抗浮及局部抗浮均滿足條件的情況下，壁板與地基土未脫離，可采用“先組合荷載—判定地基單壓土彈簧有效范圍—形成新邊界條件—組合荷載后進(jìn)內(nèi)力計(jì)算”，即采用MIDAS Gen或STRAT（單拉）進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。對(duì)于整體抗浮滿足而局部抗浮不滿足的情況，對(duì)局部抗浮不滿足且僅采取增加基礎(chǔ)配筋的設(shè)計(jì)方法時(shí)，從工程安全角度出發(fā)，宜按STRAT 基礎(chǔ)協(xié)同總量控制負(fù)彈簧模型進(jìn)行計(jì)算配筋。同時(shí)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)采用2 種不同軟件進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。