摘要：針對(duì)民用建筑中地下水位較高，純地下室部分的自重不足以抵消水浮力的普遍現(xiàn)象，為探索行之有效的抗浮措施，依托SPA2000、ABAQUS 有限元軟件，模擬抗拔樁對(duì)結(jié)構(gòu)底板作用的受力狀態(tài)，建立精細(xì)化有限元結(jié)構(gòu)分析模型。通過對(duì)考慮抗拔樁抗拔力對(duì)地下室底板的有利作用下，及不考慮抗拔樁抗拔力對(duì)地下室底板的有利作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，進(jìn)而分析得出抗拔樁抗拔力對(duì)結(jié)構(gòu)底板配筋的影響，提高地下室底板的經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞：SAP2000 抗拔樁 底板內(nèi)力
抗拔樁對(duì)結(jié)構(gòu)底板內(nèi)力影響的分析
Analysis of the Effects of Uplift Pile on internal Force of Basement Blab
李德文，云南中建人文建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，建筑及規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，結(jié)構(gòu)工程師
因地下水浮力所造成的建筑物、構(gòu)筑物等上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜、倒塌的事故屢屢發(fā)生。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民用建筑中設(shè)置地下室的工程越來越多，而且面積更大、基礎(chǔ)底板的埋深也越來越大。在抗浮設(shè)計(jì)水位較高的情況下，結(jié)構(gòu)整體抗浮往往能滿足規(guī)范要求，但對(duì)于無上部結(jié)構(gòu)的純地下室部分，自重不足以抵消水浮力，此時(shí)地下水浮力作為對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用荷載考慮，且為保證結(jié)構(gòu)的局部抗浮穩(wěn)定性，必須采取抗浮措施，其中抗浮樁就是普遍采用的抗浮措施。在工程實(shí)踐中，抗浮樁主要布置于局部抗浮不足的純地下室部分。然而，在工程實(shí)踐中，由于缺乏方便可行的分析方法，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算地下室底板及地梁的配筋時(shí)，往往不考慮抗拔樁對(duì)底板及地梁配筋的有利作用，無疑會(huì)造成結(jié)構(gòu)斷面或配筋的增加。
理論上，我們可以將抵抗水浮力的結(jié)構(gòu)抗力分解為結(jié)構(gòu)本身自重和樁身抗拔力兩個(gè)部分，其中結(jié)構(gòu)自重是通過結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件柱傳至基礎(chǔ)及地梁，然后再分配至底板上的，由于相應(yīng)的反作用力的效應(yīng)，會(huì)在底板及地梁中產(chǎn)生內(nèi)力。而抗拔樁產(chǎn)生的抗拔力部分，則是通過樁承臺(tái)傳至底板、柱或者梁上，再分配至底板上的，由于抗拔樁作用多樣性，導(dǎo)致該部分對(duì)應(yīng)的反作用水浮力產(chǎn)生的內(nèi)力具有復(fù)雜性，根據(jù)工程實(shí)際，研究上述兩種作用效應(yīng)下底板的簡化計(jì)算方法具有理論意義。
需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)的工程，結(jié)構(gòu)自重抵消部分水浮力，其余的水浮力由抗拔樁承擔(dān)，抗拔樁是一種附加的抗浮措施，但是抗拔樁與地下室底板連接后會(huì)對(duì)底板產(chǎn)生作用【1】。文章依托SAP2000、ABAQUS有限元軟件，建立研究對(duì)象的精細(xì)化有限元結(jié)構(gòu)分析模型，分析水浮力作用下考慮抗拔樁對(duì)地下室底板的有利作用和不考慮抗拔樁對(duì)地下室底板的有利作用的結(jié)構(gòu)精確內(nèi)力，進(jìn)而分析抗拔樁抗拔力對(duì)結(jié)構(gòu)底板配筋的影響。
1、抗浮樁對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響
純車庫部分設(shè)置抗拔樁之后會(huì)對(duì)車庫結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)本身的受力產(chǎn)生影響，在不計(jì)如側(cè)壁的影響下抗浮安全系數(shù)按1.05 考慮。下面昆明某工程大型地下室為例進(jìn)行說明， 該工程地下室為2 層框架結(jié)構(gòu)，底板埋深8.9 m ，頂板覆土2m ，水頭高度按8m 考慮，框柱跨度7.8 m ×7.8 m 。（圖1）
水頭高度按8 m 考慮時(shí)，純地下室部分自重不足以抵消水浮力，需采取抗浮措施。由于純地下室部分局部抗浮不足，根據(jù)計(jì)算可知每個(gè)框架柱下面需設(shè)置4 根抗拔樁。現(xiàn)分別采用SAP2000 和ABAQUS 有限元軟件，對(duì)考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析；采用SAP2000 有限元軟件，對(duì)不考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析。
不同模型采用的構(gòu)件材料及參數(shù)均為一致，從而得到更有意義的分析結(jié)果?？拱螛斗謩e采用彈簧模擬和支座模擬，核心問題是如何確定彈簧剛度【2】。
根據(jù)抗拔靜載試驗(yàn)報(bào)告所提供的力-位移曲線（P- △曲線），當(dāng)上拔力從0 逐漸加大到1200 kN 時(shí)（將抗拔樁的彈簧剛度單位轉(zhuǎn)換為1200 kN /10 mm =1.2 × 105kN/m），抗拔樁上拔量到達(dá)第一個(gè)拐點(diǎn)，約6 mm 。
2、考慮抗拔樁對(duì)結(jié)構(gòu)的影響
2.1 有限元計(jì)算模型及彎矩
為避免單一軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程情況誤差性，確保有限元分析結(jié)果得到更真實(shí)的樓板應(yīng)力分布情況，考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)， 樓板內(nèi)力分析采用SAP2000 和ABAQUS 兩個(gè)軟件同時(shí)分析，這樣應(yīng)力分析結(jié)果將更有說服力。
SAP2000 模型中抗浮樁抗定義為彈簧，彈簧剛度按抗拔靜載試驗(yàn)報(bào)告所提供的力-位移曲線計(jì)算值計(jì)入；ABAQUS 模型中抗浮樁按樁輸入，樁剛度同SAP2000 彈簧剛度。不同模型采用的構(gòu)件材料及參數(shù)均為一致，以減小有限元分析結(jié)果的誤差。
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的位移曲線如（圖2） 所示。由圖可知，底板最大位移約為10 mm ，抗拔樁的最大位移約為6.6 mm 。
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖3、圖4 所示。由圖可知柱上板帶最大支座負(fù)彎矩約為811 kN·m ，跨中板帶最大彎矩約為180 kN·m 。
2.2 有限元計(jì)算模型及剪力
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖如圖5、圖6 所示。標(biāo)準(zhǔn)組合下ABAQUS 模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖如圖7、圖8 所示。
由圖可知樓板應(yīng)力分析結(jié)果SAP2000 與ABAQUS 的殼應(yīng)力接近，誤差不大于5%。
3、不考慮抗拔樁對(duì)結(jié)構(gòu)的影響
3.1 有限元計(jì)算模型及彎矩
模型中不考慮抗浮樁剛度，即抗浮樁作為支座考慮。SAP2000 模型中抗浮樁定義為只約束U3 方向的支座。
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的位移曲線如圖9 所示。由圖可知，底板最大位移約為3.3 mm ，抗拔樁的最大位移約為0 mm 。
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖10、圖11 所示。由圖可知柱上板帶最大支座負(fù)彎矩約為824 kN·m ，跨中板帶最大彎矩約為200 kN·m 。
3.2 有限元計(jì)算模型及剪力
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖如圖12、圖13 所示。
4、抗浮樁按不同剛度計(jì)算時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響
抗浮樁按彈簧剛度分別按1×105 kN/m 和0.8×105 kN/m 計(jì)入模型，以分析在不同抗浮樁剛度下結(jié)構(gòu)底板的受力情況。
標(biāo)準(zhǔn)組合下SAP2000 模型結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖14、圖15 所示。由圖可知柱上板帶最大支座負(fù)彎矩約為819 kN·m ，跨中板帶最大彎矩約為196 kN·m 。
5、有限模型分析結(jié)果對(duì)比
5.1 考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利
和不考慮的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比現(xiàn)對(duì)考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利和不考慮的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比，如（表1） 所示。
從計(jì)算結(jié)果可見，考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)，抗拔樁的計(jì)算位移量為6.6 mm ，底板的計(jì)算位移量為10 mm ；不考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)，抗拔樁的計(jì)算位移量為0 mm ，底板的計(jì)算位移量為3.3 mm 。雖然從計(jì)算結(jié)果來看考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利的計(jì)算位移量大于不考慮的，但是兩者的計(jì)算位移的差值是接近的。
對(duì)于跨中和支座的最大彎矩，考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)跨中和支座的最大彎矩分別為811 kN·m 和180 kN·m ；不考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)跨中和支座的最大彎矩分別為824 kN·m 和200 kN·m 。從彎矩的計(jì)算結(jié)果來看計(jì)算配筋的差異并不大，但從目前民用建筑來看，地下車庫的面積越大，考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利對(duì)結(jié)構(gòu)底板配筋的影響越大。
5.2 抗浮樁按不同剛度計(jì)算時(shí)計(jì)算結(jié)果做對(duì)比
現(xiàn)對(duì)考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利和不考慮的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比，如（表2） 所示。
從計(jì)算結(jié)果可見，抗浮樁剛度變化會(huì)影響樓板內(nèi)力變化，隨著抗浮樁樁身剛度的增大，樓板的內(nèi)力也會(huì)減小，反之則增大。在滿足豎向抗壓承載里的前提下，當(dāng)?shù)叵率?/span>采用剛度較大的工程樁時(shí)，地下室底板的配筋能夠減小。從而能提高底板的經(jīng)濟(jì)性。
6、結(jié)論
本論文分析了水浮力作用下考慮抗浮樁對(duì)地下室底板的有利作用和不考慮抗浮樁對(duì)地下室底板的有利作用的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。得出如下結(jié)論：
1） 雖然考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利時(shí)， 采用SAP2000 和ABAQUS 兩個(gè)軟件進(jìn)行分析，但兩個(gè)軟件的有限元分析結(jié)果誤差不大于5%。說明分析結(jié)果的可靠性得到保證。
2） 雖然從計(jì)算結(jié)果來看考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利的計(jì)算位移量大于不考慮的，但是兩者的計(jì)算位移的差值是接近的。
3） 從彎矩的計(jì)算結(jié)果來看計(jì)算配筋的差異并不大，但從目前民用建筑來看，地下車庫的面積越大，考慮抗拔樁對(duì)地下室底板有利對(duì)結(jié)構(gòu)底板配筋的影響越大。
4） 抗浮樁剛度變化會(huì)影響樓板內(nèi)力變化，隨著抗浮樁樁身剛度的增大，樓板的內(nèi)力也會(huì)增大，反之則減小。在滿足豎向抗壓承載里的前提下，當(dāng)?shù)叵率也捎脛偠容^小的工程樁時(shí)，地下室底板的配筋能夠減小。從而能提高底板的經(jīng)濟(jì)性。
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