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4-与传统基础软件的差异及案例分析

发布时间:2016-07-13

 

 

与传统基础软件的差异及案例分析

1 基础结果对比JCCAD要点

按照以下顺序比较影响计算结果的关键环节:

1对比上部结构荷载,可以查看单工况的柱底、墙底内力筋对比,还可以借助对比工具简单对比整体指标(见下图)

2对比基础模块中施加的荷载,包括基础自重、板面恒活、覆土、水浮力及人防;

3对比计算方法,比如:是否是采用有限元计算方法;倒楼盖法还是弹性地基梁板法,是否考虑上部结构刚度等

4)采用弹性地基梁板法情况,如:筏板基础、桩筏基础、地基梁基础,还要对比基床系数和桩刚度;

5筏板基础、桩筏基础还要对比网格划分结果

6最后比较计算结果。

2 上部结构荷载处理对比

上部结构荷载两个软件计算结果本身一般差异很小,可以通过通过检查总质量整体指标等方式来检查。但是要注意在基础模块处理中的几点差异:

1YJK基础可以考虑地下外墙水土压力荷载的影响(见下图),传统软件不能

2为避免柱墙下应力集中,YJK提供了考虑柱墙尺寸对集中力进行处理的选项,见下图:

此时柱墙集中力会考虑柱墙的截面尺寸、筏板的厚度按45度应力扩散角,按距中心点距离比例将一个集中力分散成n个集中荷载,可减少柱下板带、墙下板带应力集中的现象。荷载处理示意见下图:

3 YJK基础计算使用SATWE荷载条件

YJK基础设计除可采用YJK上部计算结果外,也可以直接读取SATWE荷载,见下图:

要注意几点:

1YJKPKPM在同以工程目录文件夹内;

3)、PKPM完成上部结构计算分析;

4、用YJK完成上部结构计算分析;

4 基础施加的各类板面荷载对比

基础模块中施加的荷载,包括基础自重、板面恒活、覆土、水浮力及人防。两个软件中施加这些荷载的控制参数有一定差异,要校对实际施加的荷载是否一致。

比如覆土荷载,传统软件是通过室外地坪标高、基础埋深自动计算的。YJK基础软件是采用独立覆土荷载参数,比如:

1)软件中非筏板基础的覆土是根据下图参数来确定的:

覆土的计算是按公式:覆土重 = 覆土厚度*覆土容重。

2)筏板基础的覆土荷载是在布置时,直接输入荷载值(KN¥M^2),见下图:

5 YJKPKPM的配筋弯矩处理差异

1)传统软件配筋计算

传统软件的筏板配筋是采用有限元理论结果直接进行配筋设计

传统软件筏板采用的是八节点单元,每个单元有九个高斯积分点,最终得到弯矩处理方式如下,单元(1Y向最大弯矩为1839,最终配筋取的就是这个最大值。

但是这个值不进行磨平处理显然是偏大的,如图中的区域,四个单元的在该交点配筋弯矩相差非常大分别为18391851344384

2YJK软件配筋计算

YJK从有限元理论弯矩到配筋采用弯矩提供多项处理措施以避免配筋过大,包括:(1)柱下区域内节点弯矩进行峰值折减;(2)变厚度边缘区域进行弯矩磨平处理;(3)有限元单元配筋可以取一定范围节点弯矩平均值进行配筋。参数见下图:

6 YJK的筏板配筋比传统软件原因分析

在荷载基本相同、基床系数和桩刚度弯曲相同前提下,同一工程YJK筏板配筋比传统软件小的原因有几点:

1YJK改进了网格划分,其网格以四边形为主,没有三角形畸形单元,这样就避免了因为网格划分不好导致的应力集中而配筋弯矩失真偏大的问题

以下是实际工程中,几个项目筏板的网格划分效果:

2YJK从有限元理论弯矩到配筋采用弯矩,提供多项处理措施以避免配筋过大;

3)、YJK可以正确地实现考虑上部结构刚度影响,有效降低峰值内力和配筋。

7 梁式筏板计算模型差异和对比

梁式筏板基础(见下图)的计算模型YJK软件中和传统软件中是明显不同的。

传统软件在【基础梁板弹性地基梁法】模块提供了两阶段的梁式筏板计算方法,具体是:

1第一步,筏板部分刚度贡献简化为地基梁的翼缘,用弹性地基梁元计算地基梁部分内力;

2第二步,只考虑地基板局部弯曲作用以地基梁为板支座计算板内力,可以按各边支撑弹性理论方法,也可以按极限平衡理论计算的塑性方法。

上述处理方法在实践中常遇到的问题是:假定地基梁独立承担全部荷载,所以地基梁配筋会偏大,很多情况下甚至会无法配筋而筏板按各边支撑假定只考虑局部弯曲作用,配筋会偏小。该计算方法适用于板相对地基梁要薄的多,比如板主要起到防水作用的情况。

YJK对于梁式筏板采用的是考虑梁板变形协调的整体有限元计算方法。与传统软件相比,地基梁配筋要小,筏板配筋要大。YJK的变形协调处理方法适用于筏板基础承重构件作用、地基梁是对筏板局部加强情况。

如果板相比地基梁要薄的多,板主要起到防水作用的情况,在YJK软件中可以采用地基梁加防水板模型,地基梁内力结果会比较接近传统软件的两阶段设计方法的结果。

8 双柱独立基础/承台的计算对比

对于多柱墙下(包括双柱)独立基础/承台,传统软件都是采用简化为单桩独立基础/承台的非有限元算法,即以多柱墙外包区作为一个单柱子范围,然后套用规范的简化计算方法。如果多柱墙之间间距较大时,此种简化处理方法误差较大,计算结果偏小。

YJK是按照筏板/桩筏有限元方法计算的,配筋用基础内的最大弯矩。这两种算法弯矩会存在较大差异,传统软件结果偏小。

9 冲切验算对比

冲切验算有两个关键问题:

1)冲切椎体范围确定及抵抗力计算

包括三种情况:

1对于平筏基础的单柱单墙冲切验算,冲切椎体范围确定直接用柱墙轮廓外扩一个有效高度即可,两个软件处理是一致的。

2对于平筏基础的多柱墙冲切,传统软件不能给出组合墙的冲切验算结果,YJK多柱墙外凸包多边形给出所有单肢组合墙的冲切验算结果,还可以通过人工交互给出长肢剪力墙的冲切验算结果。

3特别是对于桩筏基础,冲切破坏锥体应采用自柱()边或承台变阶处至相应桩顶边缘连线所构成的锥体,锥体斜面与承台底面之夹角不应小于45°。传统软件固定按45度确定冲切椎体,YJK按实际桩与柱墙位置找冲切椎体。见下图:

固定按45度确定冲切椎体存在的问题是冲切安全结果偏于不安全。即:冲切椎体往往大于实际情况,高估抗冲切能力;计算冲切力时,会误将实际冲切锥外的桩反力扣除,冲切力计算明显小于实际。

2)冲切力计算

以柱墙冲切为例,其冲切力计算方法是柱墙荷载减去冲切锥内的实际桩土反力。所以如果冲切椎体范围确定有误,冲切力计算往往也是错误的。另外传统软件对于各种冲切验算都是在【建模】模块进行,建模阶段是无整体有限元计算结果无实际桩土反力结果的,所以往往采用平均桩土反力,这就造成了冲切力计算存在较大误差。

下文给出如果冲切对比分析:

1内筒冲切
1  内筒冲切计算公式:

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-201184. 8条:

平板式筏基内筒下的板厚应满足受冲切承载力的要求,并应符合下列规定:

1 受冲切承载力应按下式进行计算:

Fl/umh0 0.7βhpƒt/η       (848)

式中:

Fl——相应于作用的基本组合时,内筒所承受的轴力设计值减去内筒下筏板冲切破坏锥体内的基底净反力设计值(kN)

um——距内筒外表面h0/2处冲切临界截面的周长(m)(848)

hO——距内筒外表面h0/2处筏板的截面有效高度(m)

η——内筒冲切临界截面周长影响系数,取1.25

 

注意:这里的桩土反力,不能采用筏板下桩、土的平均反力计算;应该采用有限元计算结果得出的桩净反力值

 

2. 框筒结构内筒冲切计算结果对比

框筒结构上部为外钢框架内混凝土核心筒结构,地下3层,地上54层,总高203m。下部为平筏基础,埋深为-15.0m,持力层为卵石,主筏板厚度2.0m,主楼下3.3m,核心筒下3.95m

传统软件内筒冲剪结果,见下图:




平均净反力=总荷载÷总面积

3.95m厚筏,冲切安全系数0.6,以此推算,筏板厚度增大到6.5m才能满足要求


YJK基础设计软件内筒冲剪结果,见下图:




荷载 - 反力= 冲切力

冲切安全系数是1.89

规范条文说明


3. 计算结果差异对比分析

两个软件验算结果差异巨大,原因可以通过下表进行分析。

 

传统软件

YJK

内筒荷载

951396

936211

地基反力

354795

786117

冲切力

596601

150094

安全系数

0.6

1.89

计算结果不同的原因

采用平均基底压力

采用按弹性地基法计算的实际基底压力

 

以框筒结构平板式筏基为例:核心筒下基底压力较大,从核心筒向周边递减。见下图:

   平均基底压力                   弹性地基梁板法基底压力分布

对于框筒结构,核心筒、外框、裙房的荷载和刚度差异较大,导致基底压力不符合直线分布,宜采用有限元计算结果得出的净反力值计算基底压力。因筒底压力较平均值大,冲切力相应减少,筏板厚度更容易满足要求。

采用平均值基底反力计算是不准确的,因为整个筏板的荷载分布式不均匀的,计算没有考虑到核心筒内基底压力要远大于核心筒外基底压力,造成计算的基底压力比实际值小很多。

YJK基础设计软件内筒冲切计算书中,计算每个基本组合下的上部荷载、桩土反力、冲切力,给出最不利组合下的验算结果,见下图:

2桩筏柱墙冲切
1 桩筏板柱冲切计算依据

依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)第5.9.7-1条规定要考虑实际冲垮比影响

依据《建筑地基基础设计规范》第8519,有相同的考虑实际冲垮比影响(下文黑色字体部分)

柱下桩基础独立承台受冲切承载力的计算,应符合下列规定:

1 柱对承台的冲切,可按下列公式计算(8519-1)

Fl2[αox(bcaoy)αoy(hcaox)]βhpƒth0 (8519-1)

FlFΣNi                    (8519-2) 

αox0.84/(λox0.2)          (8519-3)

αoy0.84/(λoy0.2)          (8519-4)

式中:Fl——扣除承台及其上填土自重,作用在冲切破坏锥体上相应于作用的基本组合时的冲切力设计值(kN),冲切破坏锥体应采用自柱边或承台变阶处至相应桩顶边缘连线构成的锥体,锥体与承台底面的夹角不小于45°(8519-1)

h0———冲切破坏锥体的有效高度(m)

βhp——受冲切承载力截面高度影响系数,其值按本规范第828条的规定取用;

αoxαoy——冲切系数;

λoxλoy——冲跨比,λoxaoxh0λoyaoyh0aoxaoy为柱边或变阶处至桩边的水平距离;当aox(aoy)025h0时,aox(aoy)025h0;当aox(aoy)h0时,aox(aoy)h0

F——柱根部轴力设计值(kN)

Ni——冲切破坏锥体范围内各桩的净反力设计值之和(kN)

2. 与传统软件的桩筏柱墙冲切对比

YJK承台的柱冲切验算的技术特点按照桩基规范(JGJ-2008)第5.9.7条执行,考虑实际冲垮比影响;而传统软件总按冲垮比为1.0进行计算。

图为按照桩基规范第5.9.7条进行柱冲切计算时应正确考虑冲跨比计算的要求。

下图表示当筏板上的柱与筏板下的桩处于不同的相对位置时,软件自动形成不同的冲切破坏锥体,该锥体不应是固定的45角,而是在45-75度之间。

图中白色框为冲切破坏锥体的外轮廓,可以看出该锥体和桩的相对位置关系,当有桩在冲切破坏锥体之内时,该桩向上的反力可以和柱的力抵消,减少柱的冲切力而起到有利的作用。因此,尽量将桩布置在柱下的75度角之内将有利于柱冲切的计算,冲切计算主要确定筏板的厚度,减少冲切力可减少筏板的厚度。

但是如果按照柱下45度计算冲切破坏椎体,由于锥体较大可能把不能算在锥体下的桩也算进去了,这将造成不安全的计算结果。

图中左边柱的冲切锥内仅包含1根桩,但是原来软件按45度计算的冲切锥下有2根桩,从而得出柱冲切满足要求的错误结论,由于冲切破坏是不可修复的基础最严重的破坏形式之一,这样的错误判断应该纠正。

下图又是一个对柱冲切原来软件错误计算的实例,原来软件按45度冲切锥计算可有4根桩在柱的冲切破坏锥体内,但由于按照正确计算其冲跨比大于0.75,没有桩在锥体内,冲切计算不过。

但是根据计算可以调整桩的布置,在桩间距允许的条件下,我们将桩向内各移动100mm,再重新计算,此时的冲切锥扩大到45度,4根桩都在锥体内,冲切计算满足了要求。

 

 

3带边框柱、多肢组合墙的冲切计算对比及常见问题

传统软件目前不能进行带边框柱、多肢组合墙的冲切验算;YJK可以完成所有类型的柱墙冲切验算,具体细节见下文:

1冲切类型

墙冲切计算程序分为以下几种:

(1)、单墙冲切:包括所有与其它墙肢或柱有连接的墙体,如下图所示意,量大面广。

(2)短肢组合墙冲切L/b<=8:每个墙肢的另一端没有其它的墙与之相连;每段墙肢的长厚比必须小于8。形成多边形外包区域计算:

(3) 长肢组合墙冲切L/b>8:

其中(2)短肢组合墙冲切程序可以自动判定。

 

2涵盖带边框柱剪力墙的所有情况

冲切验算时,软件会将边框柱和剪力墙合在一起,作为一个验算单元考虑,相当于一个异形柱。下图中,外围轮廓线为冲切锥与筏板底面的交线,内轮廓线为冲切临界截面:

  带边框柱的墙肢         带边框柱的L形墙       带边框柱的T形墙

上述三种情形,软件自动实现墙、柱合算

其他情况,可通过人工交互的方式,指定需要合算的柱和墙肢,例如:





            特殊情形下以人工交互方式实现墙、柱合算

采用自动识别+人工交互的方式,基本上可以涵盖带边框柱剪力墙的所有情况。总结一下,要点如下:

1、边框柱和墙肢合成一个计算单元,相当于按异形柱计算;

2、按凸包+偏移的几何算法,确定冲切破坏锥和临界截面的轮廓线;

3、验算临界截面每个角点上的剪应力,一定涵盖最大剪应力点;

4、验算剪应力时,平筏考虑不平衡弯矩

5)、带桩的筏板会考虑剪跨比影响。

4桩冲切计算差异比较
1桩冲切计算依据

依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)第5.9.8 位于柱(墙)冲切破坏锥体以外的基桩,可按下列规定计算承台受基桩冲切的承载力:

所以,当桩心位于柱墙冲切锥范围内时,无需验算,R/S50.0

2与传统软件的桩冲切计算对比

某工程,上部为剪力墙结构,地上14层,总高34.8m。下部为桩承台基础,埋深为-4.5m,持力层为碎石。

 

所以桩冲切两个软件存在两点差异

两个软件的共性问题是没有考虑冲垮比 即柱位置与桩位的关系。

1)传统软件没有过滤掉冲切锥内的桩,仍然验算了冲切破坏,这是不对的;

2)传统软件采用平板式筏板基础柱冲切计算模式,按桩反力1.25倍的单桩竖向承载力特征值计算,得到满足要求的筏板非常厚,不经济。YJK—F基础软件采用桩基规范,采用有限元计算桩净反力,比较准确。

 

 

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