基于SAP84軟件的地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

邢健 陳小小

SAP84作為以有限元分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析軟件，在地下結(jié)構(gòu)分析方面具有強大的功能。本文基于SAP84軟件的PlanIn模塊，建立北京市某蓄滯洪區(qū)地下強排泵站結(jié)構(gòu)模型，對其進行內(nèi)力分析計算，并選取最不利工況進行結(jié)構(gòu)配筋計算，計算結(jié)果可為工程設(shè)計提供依據(jù)。

SAP84作為多行業(yè)通用的有限元分析軟件，適用于土建、水利、電力等廣泛工程部門大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力和動力分析，尤其適用于大型、特種、復(fù)雜、具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式的土建結(jié)構(gòu)，具有一般專用軟件所達不到的計算能力。SAP84PlanIn模塊能夠處理平面框架、桁架、鋼架、平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問題，本文利用SAP84PlanIn模塊，經(jīng)過參數(shù)設(shè)置、坐標(biāo)設(shè)置、結(jié)構(gòu)生成、施加結(jié)構(gòu)荷載，建立荷載工況，設(shè)置荷載組合、設(shè)置結(jié)構(gòu)約束等環(huán)節(jié)，建立地下強排泵站結(jié)構(gòu)剖面模型，經(jīng)分析計算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力、彎矩，選取最不利工況進行結(jié)構(gòu)配筋計算。

一、工程實例概況

北京市某蓄滯洪區(qū)，地面高程48.00m，蓄滯洪區(qū)底高程27.20m，由于地勢限制，需設(shè)置強排泵站排除蓄滯洪區(qū)內(nèi)積水。強排泵站采用地下結(jié)構(gòu)，泵站頂板高程48.00m，平地面高程，底板高程26.20m，正常運行水位30.20m，最高運行水位47.00m。強排泵站布置一座閥井（干井）和一座濕井，兩座井間采用中墻隔開。閥井（干井）凈空尺寸3.6×8.4m（順?biāo)鞣较蜷L度×垂直水流方向長度）。濕井凈空尺寸8×8.4m（順?biāo)鞣较蜷L度×垂直水流方向長度）。井深21.8m。閥井采用倒掛井壁法施工，外部采用格柵鋼架錨噴結(jié)構(gòu)。井室結(jié)構(gòu)采用C35W8F150鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊墻厚1.0m，中隔墻及底板厚1m，頂板及中板厚0.3m。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。

二、模型建立

選擇SAP84的PlanIn模塊建立結(jié)構(gòu)斷面模型。設(shè)置完成單位（采用國際單位）、材料（C35砼）、截面（邊墻、中墻、底板、頂板、中板）等基礎(chǔ)參數(shù)，“選項設(shè)置”中勾選考慮材料自重選項。將結(jié)構(gòu)簡化看做2格深水池，采用絕對坐標(biāo)生成點輸入節(jié)點，輸入每個墻、板節(jié)點及交點，生成墻、板等截面，并為截面賦予對應(yīng)參數(shù)。

三、施加荷載

井結(jié)構(gòu)為二襯井，本文按井壁承擔(dān)80%荷載計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。結(jié)構(gòu)主要受力為自重、土壓力、外水壓力、內(nèi)水壓力、浮托力、活載影響。結(jié)構(gòu)計算簡圖見圖1。

材料參數(shù)：土體飽和容重取19.8 kN/m3，土體浮容重9.8kN/m3，填土內(nèi)摩擦角30°；水天然容重取10 kN/m3,鋼筋混凝土容重25.0 kN/m3。地面均布荷載取10kN/m2，地面均布壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力值3.3 kN/m2。

圖1 結(jié)構(gòu)計算簡圖

根據(jù)SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，本次計算采用三種工況：

（1）承載能力極限狀態(tài)

工況一：基本組合，考慮工程完建，內(nèi)部無水，地下水28.0m，承載力安全系數(shù)1.15。

工況二：偶然組合，洪水期，濕井內(nèi)水位47.0m，地下水47.0m，承載力安全系數(shù)1.0。

（2）正常使用極限狀態(tài)

工況三：正常運行水位30.2m，地下水28.0m，分項系數(shù)均取1。承載力安全系數(shù)1.15。

根據(jù)各工況計算荷載，并施加于結(jié)構(gòu)，建立荷載工況，設(shè)置荷載組合，組合系數(shù)取承載力安全系數(shù)。

四、施加約束

施加結(jié)構(gòu)約束條件。對結(jié)構(gòu)底板及墻體各節(jié)點布置接地彈簧，選擇只能受壓，不計土體與結(jié)構(gòu)間粘結(jié)力，彈簧受壓時產(chǎn)生的反力即為土體對結(jié)構(gòu)的彈性抗力，且正常使用期間不計形變壓力。本文彈簧剛度取40000kN/m。

五、計算結(jié)果

表1 各部位工況荷載組合最大內(nèi)力成果

表2 配筋結(jié)果表

1.內(nèi)力計算結(jié)果

模型及荷載等參數(shù)均完成后，經(jīng)檢查無誤進行內(nèi)力分析計算，計算結(jié)果如下所示。

各種工況計算最大內(nèi)力見表1。

表1中所示均為乘以安全系數(shù)后內(nèi)力結(jié)果，邊墻、底板、頂板、中板均由工況一控制，中墻由工況二控制。選取各部位最不利工況進行配筋計算。

2.配筋計算

結(jié)構(gòu)長期處于地下環(huán)境，按環(huán)境類別屬二類，根據(jù)規(guī)范，底板、邊墻、中墻保護層取40mm，頂板、中板保護層取30mm。最大裂縫寬度極限值取0.3mm。

通過內(nèi)力計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)是一個在彎、剪共同作用下的構(gòu)件，根據(jù)SL191-2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，按正截面受彎、斜截面抗剪計算承載力。彎剪計算配筋。為安全考慮，同時按偏心受壓和軸心受壓計算，取較大配筋面積作為設(shè)計值。計算成果見表2。

六、結(jié)語

（1）應(yīng)用SAP84PlanIn模塊建立地下結(jié)構(gòu)模型，界面操作簡單直觀，預(yù)先準(zhǔn)備好需要的各種荷載、工況組合、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)，分別輸入至模型，即可進行計算。計算成果合理可靠，為設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）SAP84軟件PlanIn模塊模型建立及荷載添加具有一定的局限性，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)須進行簡化處理，同時施加復(fù)雜荷載也需進行保守的合并簡化，可能會導(dǎo)致計算結(jié)果存在偏差，需對結(jié)果進行復(fù)核驗證。

（3）SAP84軟件中配筋成果對水利行業(yè)不可直接采用，需在內(nèi)力計算成果基礎(chǔ)上，采用其他軟件或手動計算結(jié)構(gòu)配筋及裂縫驗算。