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1 概況及設(shè)計參數(shù)

對于四柱下群樁基礎(chǔ)設(shè)計，隨著設(shè)計軟件的發(fā)展，可用設(shè)計手段也愈發(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)上選取最實用可靠的設(shè)計方法對不少工程師造成困擾。由此本文選用若干常用的設(shè)計軟件進(jìn)行計算、對比分析，其實質(zhì)是傳統(tǒng)計算方法與有限元計算方法之間的比較;并采用空間桁架模型方法與前者相互校驗。

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、柱腳編號及基樁編號見右圖;對于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，其豎向承載力特征值為2575kN。

2 常用軟件計算及結(jié)果對比

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

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

PKPM.JCCAD(樁基承臺模塊):PKPM 的使用需對上部結(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。承臺底面兩方向主筋均為1800mm2/m(構(gòu)造配筋)，承臺頂部無配筋結(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，計算結(jié)果最大值2364)。

MIDAS.GEN:短柱、樁基采用梁單元，承臺采用板單元，邊界條件采用樁彈性支撐。可計算得承臺板各荷載組合時的各向彎矩。

經(jīng)過對比可知，兩種有限元方法得到的板內(nèi)彎矩在同一數(shù)值水平上，考慮到兩軟件單元劃分與統(tǒng)計方式的差異及部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，可認(rèn)為兩者計算結(jié)果基本一致;在實際工程設(shè)計中可采用兩軟件互相校核的方式，但MIDAS 軟件自動網(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，承臺上部可能會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，此時JCCAD的樁基承臺模塊的配筋形式是不合理的。對于存在柱間負(fù)彎矩的承臺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)，各軟件計算結(jié)果均存在差異。其影響因素主要有:第一，計算假定的差異，理正與PKPM 承臺均將承臺視為剛體，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、承臺與基樁之間的變形協(xié)調(diào)，根據(jù)網(wǎng)格劃分計算出基樁反力。第二，由于上部覆土荷載的計算差異及有限元網(wǎng)格劃分的不同導(dǎo)致。第三，如果承臺之間存在聯(lián)系構(gòu)件時，不同軟件對其剛度影響的處理也存在差異。

對于相同的計算假定，只要合理的控制各軟件主要計算參數(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 號基樁處的最大反力差異在5%以內(nèi)，對工程設(shè)計幾乎沒有影響。

3 空間桁架計算方法

根據(jù)相關(guān)單柱、雙柱空間桁架計算方法的研究結(jié)果可嘗試將其用于四柱的樁基承臺研究。四柱聯(lián)合樁基承臺空間桁架模型一般均為超靜定桁架，其內(nèi)力計算需首先設(shè)定混凝土斜桿及鋼筋拉桿截面尺寸，可采用MIDAS 計算桁架各桿內(nèi)力。同時可得到各邊界反力(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)散同時削弱了均勻性，但不影響空間桁架對于承臺的模擬，且計算值偏于保守。對于桿件內(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中的錨固特性，該處并不會出現(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，實際設(shè)計工作中可采用針對性構(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

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

［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)厚承臺的優(yōu)化設(shè)計建議［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)計計算方法研究［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.