地基模擬對墊墩強度校核的影響

摘 要：本文對弱地基條件下墊墩底板的校核方法進行了分析。指出：在進行墊墩校核時，不同墊墩底板面積在相同載荷情況下的沉降量換算不可忽略，地基的準(zhǔn)確模擬對墊墩底板的校核結(jié)果會產(chǎn)生重大影響。本文充分考慮地基沉降情況，改進完善了墊墩的校核方法，對鋼結(jié)構(gòu)建造中墊墩的設(shè)計、校核有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。

關(guān)鍵詞：強度校核；弱地基；墊墩；鋼結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TE52 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）10-0190-02

引言

不同場地地基的土壤成分構(gòu)成、物理性質(zhì)指標(biāo)、物理狀態(tài)指標(biāo)等相關(guān)參數(shù)各不相同，目前尚無成熟的理論方法對地基進行準(zhǔn)確的模擬[1]。因此軟弱地基上墊墩底板的校核較為復(fù)雜，它既涉及到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計校核又與土力學(xué)知識緊密相關(guān)，邊界條件的設(shè)置尤為重要，會對校核結(jié)果產(chǎn)生重大影響。找到合適的地基模擬方法是解決這個問題的關(guān)鍵。下面對直接置于天然或土層相對較弱地基之上墊墩底板強度校核方法進行討論。

地基沉降量的換算及地基的簡化模擬

對于重要的工程，一般采用沉降試驗的方法得到地基相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)。進行沉降試驗時，地基受力面積及加載工況通常與工程施工中所用墊墩底板面積不同。因此在進行地基的簡化模擬時，須充分考慮墊墩底板面積及墊墩所受載荷的情況。

根據(jù)我國工業(yè)與民用建筑中常用的《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》（GB50007-2002）推薦法，視地基土為均勻、等向的半無限空間彈性體，即在載荷的作用下土中的應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系[2～3]。由此，在進行墊墩下地基模擬時，可將地基視為大量彈簧的組合，在ANSYS軟件中可用彈簧單元進行模擬。下面用實例來進行說明。

試驗采用平板載荷試驗的方法進行，同一場地共選取五個點進行了試驗，承壓板為1.5m*1.5m的方板。實驗得到該場地地基承載力特征值對應(yīng)地基沉降量為9.82mm。假如某工程需要A、B、C三種不同類型的墊墩，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》（GB50007-2002）推薦法計算可以得到表1所示的對應(yīng)不同墊墩的地基沉降量。

由表1可以看出，同一場地上，墊墩底板面積越大，相同載荷情況下的沉降量越大。這是因為墊墩底板面積越大，其影響的地基面積越大，計算相應(yīng)深度增大導(dǎo)致的。

通過上面的計算得到了不同墊墩在特征載荷時的沉降量。視地基為彈性地基，可得到地基彈性系數(shù)?？梢娂词乖谕粓龅厣?，對于不同底板面積的墊墩，在簡化模擬地基時，地基的彈性系數(shù)也是不同的。

墊墩底板的校核

在建模分析時，不能將墊墩下面的地基模擬為一個單一的彈簧，而應(yīng)將地基模擬為大量均布在底板下面的小彈簧。這是因為假如將地基模擬為一個彈簧，底板仍為剛性，無法得到其應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù)。

在用有限元分析軟件進行底板校核時，在底板下面設(shè)置n個彈性桿單元，桿單元長度為L，截面積為a，則每個彈性桿單元的彈性模量為：

邊界條件設(shè)置：彈性桿單元下端全約束，上端對水平自由度進行約束，墊墩頂端施加實際載荷，如圖1所示。圖2為計算得到墊墩B底板的最大變形及應(yīng)力云圖。

下面將該方法得到的結(jié)果與兩外兩種方式的校核結(jié)果進行對比。圖3為墊墩底板全約束時得到的底板應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)，此時并未對底板進行任何運算。圖4為反向加載（即在墊墩底板上均勻加載載荷，頂板受力位置進行全約束）時得到的應(yīng)力云圖。對比可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)果中的最大應(yīng)力相對稍大。

三種方法對比可以發(fā)現(xiàn)，墊墩底板全約束的方式認(rèn)為底板無變形，分析得到的結(jié)果不包括底板的校核情況；反向加載的方式視地基為全柔性，墊墩工作時底板上各處受力均相等，得到的結(jié)果過于保守；采用本文的方式模擬地基的方式較為合理，能得到理想的墊墩底板校核數(shù)據(jù)。

結(jié)論

本文對弱地基條件下墊墩底板的強度校核方法進行了分析。指出對于墊墩底板強度分析，地基的準(zhǔn)確模擬對計算結(jié)果會產(chǎn)生重大影響，同一地基上不同墊墩底板面積在相同載荷情況下的沉降量換算不可忽略，在進行地基沉降試驗的基礎(chǔ)上，采用彈性理論對地基進行模擬會得到理想的分析結(jié)果。

作者簡介： 徐學(xué)軍（1984-）， 男， 研究生學(xué)歷， 助理工程師， 目前從事鋼結(jié)構(gòu)強度計算方面的工作；電話（Tel.）：13697655640， E-mail： yongledadian@126.com