不同软件计算筏板基础沉降对比分析

第31卷第5期 2009年10月 工程抗震与加固改造 EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting V01．31。No．5 0ct．2009 [文章编号】1002．8412(2009)05．0034．06 不同软件计算筏板基础沉降对比分析 滕 军1，赵 洋1，刘 俊2 (1．哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳518055；2．香港华艺 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 顾问(深圳)有限公司，广东深圳518031) [摘 要] 在筏板基础设计中，由于采用的计算模型或简化方法不同，不同软件或同种软件不同假定的计算结果存在较大差 异，设计可能采用不合理的模型或假定。筏板的沉降以及差异沉降作为设计控制的关键指标，尤其需要合理地选择计算假 定。本文以某实际工程为研究对象，应用通用有限元软件ANSYS及常用设计软件JCCAD对筏板基础沉降进行分析，对比两种 软件相同假定下结果差异及安全性，得到设计软件假定的适用范围；并使用ANSYS模拟各假定条件，比较沉降计算结果的差 别，讨论了不同假定下沉降随土刚度的变化情况，对基础设计中使用的设计假定选择提出建议。研究表明，通过合理的参数 选择，使用JCCAD中弹性半空间假定分析沉降具有较高的安全储备。 [关键词】筏板基础；沉降；有限元分析 [中图分类号】TU31 [文献标识码]A SedimentationAnalysisandComparisonofRaftFoundationinDifferentSoftware 死昭Jun2，Zhaoy0增2，LiuJunl(1．HarbinInstituteofTechnology，ShenzhenGraduateSchool，Shenzhen518055，China；2．Hong KongHuaYiDesigningConsultants(S．Z．)Ltd．，Shenzhen518031，China) Abstract：Inraftfoundationdesign，usualdesignsoftwaremaycausegreatresultdifferencesamongdifferentsoftwareordifferentpostulatesin oneprogramfordifferentcalculatemodelsorsimplifymethodsused．Asthekeycomponentofdesign，sedimentationanddifferential sedimentationhastheissueofchoosingcomputationpostulates．Basedonanactualproject，usinguniversalfiniteelementsoftwareANSYSand designsoftwareJCCAD，thesedimentationofraftfoundationisanalyzed，theresultsandsafetyindifferentassumptionsarecompared，andthe scopeofapplicationisobtained．ThenthecomputationpostulatesaresinulatedbyANSYS，thedifferencesofsedimentationarecompared， changesofsedimentationdiscussedbysoilstiffness．someadvicesa"sirefortheselectionoftheuniversalsoftwareoffoundationdesignby simulatingtheassumptions．Analysisresultsindicatethatbyreasonablychoosingparametersindesign，byusingelastichalf-spacepostulatewe cangetmoresafetystock． Keywords：raftfoundation；sedimentationanalysis；finiteelementme山od 1 引言 筏板基础在高层结构中应用较为广泛。其沉降 有严格的控制要求。设计软件采用不同假定对沉降 结果影响较大，常用的基础设计软件由于选取不同 地基简化模型导致结果出现较大差别，对不同的土 质情况，选取较为可靠的模型进行分析成为基础设 计的关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 由于土体本身及土与结构相互作用的复杂性， 对基础的设计难以考虑所有的内在和外在因素，因 此设计软件采用了一些假定，简化分析过程，便于分 [收稿日期]2008—11．10 析和提高效率。然而不同软件使用的简化假定有所 差异导致计算结果各异，同一软件也给出几种不同 的假定条件供设计选择。因此，设计人员普遍关注 的是设计中如何选择合理的假定分析，实际工程才 能得到较为可信的结果。 通用有限元软件广泛的用于上部结构、基础与 地基共同工作分析中，其分析结果已逐渐用于指导 设计。本文以实际工程为背景，使用通用有限元软 件ANSYS采用类似设计软件JCCAD计算筏板基础 沉降采用的假定，对比两种软件在各种假定条件下 沉降随土参数的变化情况，对结果的安全性加以讨 论；同时应用ANSYS建立上部结构．地基．基础整体 万方数据 第3l卷第5期 滕 军，等：不同软件计算筏板基础沉降对比分析 ·35· 模型，假定土体为各向同性的理想弹性实体，分析中 采用土的变形模量，考虑了土的弹性变形和永久变 形，同时考虑土体的剪切应力和侧向膨胀的影响，将 分析结果同ANSYS模拟各假定分析结果进行对比， 为设计软件使用提出建议。 2基础设计软件假定差异分析 基础设计软件中，不同的分析模型或假定仅适 用于一定的结构形式及地基土情况，使用不同软件 或相同软件不同假定分析同一工程，其结果有较大 差异。以PKPM系列JCCAD软件为例，筏板有限元 计算使用了以下几个假定供设计选择： (1)Winkler假定(弹性地基梁板模型)：将地基 范围以下的土假定为相互无联系的独立竖向土弹 簧，适用于地基土层很薄的情况，对于下覆土层深度 较大的情况，土单元之间的相互联系不能忽略； (2)刚性基础假定(倒楼盖模型)：假定基础为刚 性无变形，忽略了基础的整体弯曲，在此假定下计算 的沉降值是根据 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的沉降公式计算的均布荷载作 用下矩形板中心点的沉降。此假定在土较软，基础 刚度与土刚度相差较悬殊的情况下适用； (3)弹性理论有限压缩层假定(单向压缩分层总 和法模型)：以弹性理论法与规范有限压缩层法为基 础，采用Mindlin应力解直接进行数值积分求出土体 任一点的应力，按规范的分层总和法计算沉降。假 定地基土为均匀各向同性的半无限空间弹性体，土 在建筑物荷载作用下只产生竖向压缩变形，侧向受 到约束不产生变形。 以上3种地基土计算模型，由于其基本假定的 不同对沉降计算的最终结果影响较大，而针对不同 计算模型的适用条件，软件说明书介绍仅简要说明 了原理和适用范围，使用不同计算模型分析同一工 程，其沉降内力等指标相差较大。表1列出了某小 型变电所采用JCCAD桩筏筏板有限元计算中3种 假定的计算结果，可以看出沉降结果差异明显，3种 假定分析结果的准确性有待于进一步比较分析。 表1某变电所JCCAD沉降计算结果 2hble1 Sedimentationresultsofatl陌u蜘nl蟹rroombyJCCAD 模型 基础沉降最大值(nl／11) 弹性地基梁板模型 5．6 倒楼盖模型 24．5 单向压缩分层总和法模型 15．1 3设计软件沉降计算与ANSYS模拟对比分析 3．1分析模型 分析实例选用某天然地基20层剪力墙结构住 宅，基础持力层为卵石层，受力性能较好，故基础形 式选为天然地基筏板基础，分别使用JCCAD和 ANSYS建立分析模型，分析时均考虑上部结构刚度 对基础的影响，主要分析沉降差异。选取JCCAD中 基于Winkler假定的弹性地基梁板模型和基于弹性 理论有限压缩层假定的分层地基模型进行筏板基础 分析，下文简称为J1模型和J2模型；相应使用 ANSYS模拟Winkler假定的Al模型和弹性理论分 层实体地基A2模型用于与JCCAD两模型对比分 析；并建立弹性实体地基模型A3对上述假定结果 准确性做出评价。本工程上部结构及基础各部分参 数见表2。 表2模型参数 Table2 Parametersofmodel 材料 截面 单元划分 墙 C30一C50厚度200—500 1m 梁 C25 多种截面 l段 柱 C30．C50圆柱D=500 lm 筏板 C50 H=1000ram 1m PKPM系列软件中，上部结构在SATWE中计 算，使用JCCAD分析基础(模型如图1)，通过墙柱与 筏板的共用节点将上部结构的荷载和刚度传至基 础。ANSYS各模型上部结构参数与JCCAD保持一 致，对地基土使用不同单元对应模拟JCCAD中的不 同假定(模型如图2，图3)，各模型具体地基及基础 参数见表3。 图1 JCCAD筏板分析模型 Fig．1RaftanalysismodelbyJCCAD 3．2相同假定下JCCAD与ANSYS土刚度影响分析 选用J1、J2、A1、A2四个计算模型对实际工程进 行分析，改变地基土刚度，考察地基土刚度变化时对 万方数据 图2 A1分析模型 F妇．2 AnalysismodelofAl 图3 A2、A3分析模型 rig．3AnalysismodelofA2andA3 工程抗震与加固改造 表3 ANSYS模型地基土参数表 Tahie3 ParameteusoffoundationinANSYSmodel 模型 地基刚度 地基单元类型 地基尺寸(m) Al 基床反力系数k eombinl4筏板范围以下 A2 压缩模量E． solid45 来自地质参数 A3 变形模量E。 solid45 72x60×40 筏板基础沉降的影响规律，并比较同种参数下不同 模型结果的差异。以下讨论的沉降值均为准永久工 况。 3．2．1基于Winkler假定的弹性地基梁板模型分析 弹性地基梁板模型J1的地基土刚度用基床反 2009年10月 力系数表示，基床反力系数即产生单位地基变形所 需要的单位面积压力，Al模型中的弹簧刚度在节点 平均间距为1m时可近似等于基床反力系数(基床 反力系数k=s／A，8为土弹簧刚度，A为土弹簧单 元均分面积)，本文将基床反力系数从1000kN／m3逐 渐变化到40000kN／1113，得到沉降曲线如图4所示。 E 巳 趔 进 蜉 i I：2麓『 I U 影 ＼ b寸=j ‘0 10000 20000 3000040000 基床反力系数(Idq／m) 图4沉降量随基床反力系数变化 Fig．4Sedimentationchangingbyparameter ofbeddingreaction 由图4可以看出，儿模型在k<5000kN／m3时， 沉降大于A2模型；在k>5000kN／m3时，沉降小于 A2模型。当5000kN／m3墙下>板边，且沉降方差较小，沉降分布较 均匀。表明Winkler假定下的模型板边缘沉降差异 较大，变化不均匀，弹性压缩层假定的模型筏板变形 较为合理。因此使用Winkler假定计算不能较好的 表现基础的沉降形式，在对基础不均匀沉降控制要 求不高的情况下可以采用。 图9样本点位置分布图 Fig．9Distributionofsamplepoints 表5各模型不同位置样本点均值和方差对比表 Table5 Comparisonofmeanvalueandvariance ofsamplepointatdifferentpositionofmodels 模型 位置 均值(咖) 方差 板边 26．30 3．85 A1 墙下 25．20 1．98 跨中 24．90 1．34 板边 24．86 1．25 A2 墙下 25．47 1．18 跨中 25．56 O．55 板边 15．9l 0．35 A3 墙下 16．21 0．39 跨中 16．32 0．19 3．3．2不同假定土刚度影响规律分析 地基土刚度直接决定了基础的沉降量，不同计 算模型的最大沉降量随地基土刚度变化形式也不尽 万方数据 第31卷第5期 滕军，等：不同软件计算筏板基础沉降对比分析 -39- 相同，本节研究在何种土质条件下使用某一假定可 以得到较为合理的沉降结果。半无限弹性地基上按 弹性理论在刚性承压板下受压时地基的变形模量和 基床反力系数k的计算关系’5J： E。=∞(1一y；)~／F·k (1) 式中，叫代表与基础尺寸形状刚度有关的系数，根据 本实例情况，取0．98；v。为泊松比；F为承压板(基 础)面积。由于土不是纯弹性体，实际应用中，通过 压缩模量换算变形模量，不宜按理论公式E。=[1— 2v：，(1一y。)]E．计算，而应按地区经验，采用适当的 换算值HJ，本研究取 E。=2E． (2) 通过式(1)、式(2)，换算基床反力系数k和压缩模量 E。为变形模量E。，将变形模量E。作为土的压缩性 指标，A1、A2和A3模型最大沉降量随土弹性模量变 化规律如图10所示。由图10可知，在E。<200MPa 时A1和A2模型在曲线符合得较好，A3模型相同弹 性模量下沉降值小于A1、A2；在E。>200MPa时，三 曲线差别不大。而实际土弹性模量通常小于 50MPa，故在E。<50MPa时，使用Al、A2模型设计计 算具有较高的安全储备，A3模型相对更加经济。 ▲ 代 一-一AI模刊+A2模到 f —▲一A3模到 {it 怂 专b· 、1=≥}’’～ 0 50 100 150 200 250 300 土弹性模量(MPa) 图10沉降量随土弹性模量E。变化 Fig．10SedimentationchangingbyElasticmodulusE· 4结论 本文以实际工程为背景，运用通用有限元软件 ANSYS和常用设计软件JCCAD进行了大量的对比 分析，得到如下结论： (1)对于基于Winkler假定的弹性地基梁板模 型，在基床反力系数，k<5000L10000kN／m3时，常用 [作者简介】滕军，男，教授，博士生导师，E-mail：tengj@hit．edu．cn 设计软件JCCAD的分析结果比通用有限元ANSYS 的分析结果大，用于设计具有一定的安全储备；但该 假定忽略了由土的剪切刚度得到的沉降分布规律与 实际情况存在较大的差异，可考虑对于板边单元适 当放大基床反力系数进行修正。 (2)弹性理论有限压缩层假定下的单向压缩分 层总和法模型能较好地反映筏板的整体弯曲效应， 沉降分布规律与实际情况较为接近，且JCCAD的分 析结果与ANSYS模拟符合得较好，沉降结果采用经 验系数折减后与Winkler假定模型结果较接近，设计 中需根据工程经验选取适当的经验系数。 (3)以变形模量考虑土刚度弹性实体地基 ANSYS模型，因考虑了土体受压实际刚度，土单元 之间的剪切作用和侧向变形等土的实际材料特性， 分析结果能较真实地反映结构的实际受力情况，但 是该方法用于建模计算耗时长，可用于对复杂结构 的补充分析。 (4)Winkler假定模型中基床反力系数及单向压 缩分层总和法模型中沉降计算经验系数的取值均具 有较强的地区性和经验性，本文仅针对具体工程的 特定地区和特定土质情况进行分析，对于更广泛的 土质和地区情况有待于进一步探讨。 参考文献(References)： [1]GB50007—2002，建筑地基基础 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 [s] GB50007·2002，Codefordesignofbuildingfoundation[S] (inChinese) [2]顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，汪时敏．地基与基础[M]．北 京：中国建筑工业出版社，2003：425—438 GuXiao-lu，Qi,mHong-jin，LiuHui-shan，WangShi—rain． BaseandFoundation[M]．Beijing：ChinaBuildingIndustry Press．2003：425—438(inChinese) [3]钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M]．北京：中国水 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