抗浮桩—底板—地下室整体有限元分析

抗浮桩—底板—地下室整体有限元分析
摘要：在有地上楼层的结构中，地下室已经成为整个结构的必要部分，从严格意义上讲，分析地下室底板结构的变形与内力时应考虑上部结构的影响，但这种方法比较复杂、困难，所以只考虑地下室与桩基浇筑并协同作用。

梁妍妍利用SAP2000研究了锚杆布置方式、锚杆刚度以及底板厚度等因素对地下室底板变形与内力的影响并取得了不错的研究结果。

本章将对抗浮桩—底板—地下室结构进行整体的有限元建模分析，进行较为精细的计算分析，以判断不同水头高度下设置抗浮桩前后的区别，为底板结构抗浮优化提供依据。

1、模型建立及参数选取
以所选取的新建工程实例为对象，以桩平面布置图中轴线J以及轴线18相交点为坐标原点进行有限元模拟，分析设置与不设置抗浮桩情况下，底板在不同水头高度作用下的变形以及内力，评价抗浮桩提供的有利帮助以及设置抗浮桩之后的不同，具体建模步骤如下：
1.1 几何建模
利用软件自带的快速模板功能，选择“无梁楼盖”，按工程图纸提供的平面图输入两个方向的跨数以及跨度，跨中板带默认在一跨正中布置，其余部分为柱上板带，跨中板带宽度方向自动划分2个单元宽度，柱上板带宽度方向自动划分4个单元宽度；定义HRB400级钢筋以及C35混凝土等材料类型，设定底板厚度为550mm，柱下范围内的承台厚度为1200mm。

1.2 单元划分
底板、中板、顶板以及外墙均采用shell单元模拟，柱采用框架单元模拟。

为使模拟结果更接近实际，在自动生成单元划分的基础上进行细分，按最大尺寸为1000mm剖分面并沿对象边生成束缚，系统自动为所有的相邻边生成束缚。

1.3 定义约束条件
将桩布置在柱下是人防工程中常用的一种布桩型式，在上部荷载作用下引起的竖向
位移可以忽略不计，因此将桩作用处的约束情况简化为固定支座。

地下室底板与独立基
础一起与地基接触，为准确分析底板与基础的协同作用，对所有底板单元以及独立基础
单元施加面弹簧，定义只压不拉的土体弹簧，面弹簧刚度即基床系数，即单位面积地表
面上引起单位深度下沉所需施加的力，可以通过现场载荷板试验或者土工试验方法获取，在对沉降计算要求不高或者简化计算中，也可采用推荐的经验值，本模型按勘察报告提
供的土层分布情况进行取值，取底板对应土层的基床系数为 1000000kN/m2。

1.4 定义荷载组合
根据《建筑地基基础设计规范》，在基础设计中，承载力计算应该使用标准
组合，外墙外侧施加水平向土压力荷载，按水土分算原则计算，同时由于回填
土一般回填质量不高，在饱以及状态下可提供的摩阻力很小，原则上不考虑外
侧回填土对墙体的竖向摩阻力，为判断实际地下室侧壁对底板的约束作用，在y-
z 视图中，将 x=-48.0m 对应的侧墙底部简化为自由端。

本工程基础为抗水板+
抗浮桩的组合，柱底荷载施加在柱节点上，在材料选项中直接定义参数，由程
序自动计算结构自重， 1m 水头高度作用下的水浮力大小为 10kN/m2，取荷载组
合为 D+L+S。

1.5 模型查看
本章进行两层纯地下室在不同水头高度作用下底板的变形与内力分析，为使模拟效
果更接近于地下室底板在实际工程中的受力情况，按照图纸上的结构平面图进行等比例
整体建模，经过几何建模——单元划分——定义约束条件——定义荷载组合等步骤后，整体有限元模型的 3D 图如图 1.1 所示。

图 1.1 整体有限元模型
为研究地下室底板在不同水头高度作用下的内力变化与变形，水头高度分别取 0m、 1m、 2m、 4m、 6m、 8m 以及 10m，定义荷载工况组合为恒载+活载+水浮力，即“ D+L+S”，抗浮桩不同的设置情况如图所示。

不设抗浮桩平面图设置抗浮桩平面图
2、底板变形分析
本节为比较在不同水头高度下设置与不设抗浮桩对底板挠度影响的区别，通过建立不同模型，得到底板的挠度云图如图所示，单位mm。

0m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 0m 水头设抗浮桩底板挠度云图
1m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 1m 水头设抗浮桩底板挠度云图
2m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 2m 水头设抗浮桩底板挠度云图
4m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 4m 水头设抗浮桩底板挠度云图
6m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 6m 水头设抗浮桩底板挠度云图
8m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 8m 水头设抗浮桩底板挠度云图
10m 水头不设抗浮桩底板挠度云图 10m 水头不设抗浮桩底板挠度云图
为研究分析抗浮桩设置与否对底板变形的影响，由于 Q-N 中轴线、 V-W 中轴线以及 J-K 中轴线所对应跨度最具有代表性，故取这三条中轴线所对应底板位置进行分析，将底板挠度云图中三个位置在不同水头高度下对应的最大位移进行统计，这里所指的底板位移是相对于坐标而言，底板各位置即其纵坐标值，位移的变化就是纵坐标的变化，方向向上为正，统计结果如表2.1所示。

表2.1 不同水头高度底板三位置最大位移
3、总结
由底板挠度云图以及表2.1可知，从各位置底板最大位移来看，当水头高度不超过2m 时，不设桩情况下底板各位置位移都为负值，这是由于此时水头高度较小，水浮力对底板作用不大，地下室结构在自重作用下发生整体下沉，导致位移出现负值，而设抗浮桩以后由于桩位处底板变形受到约束，故该位置处底板位移为 0。

当水头高度超过 2m 后，底板开始在水浮力作用下出现向上的位移，不设桩情况下，虽然因为结构自重而导致柱位处位移小于底板跨中位移，但相差不大，即在水浮力作用下地下室发生整体上移，各部位变形较为协调；设抗浮桩情况下，桩位处位移远远小于底板跨中位移，导致各部位变形不协调，并且随着水头高度的增加，这种由于设抗浮桩而导致的不协调变形现象愈发明显，可见对于长时间
在高水位作用下的地下室，设抗浮桩反而容易加大底板的局部变形，因此应该注意设计防护。

参考文献：
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大学,2019.。