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基于Robot的有锚板桩墙结构计算方法
作者：周巧菊
来源：《科技传播》2010年第14期
摘要 本文主要介绍了在竖向弹性地基梁计算方法的基础上,利用Robot Millennium结构分析软件建立板桩墙计算模型的思想,并通过对《港口工程结构设计算例》中地下连续墙计算算例中结构建模来详细阐述模型中各个主要参数的取值理论及方法。通过将模型的计算结果与算例中计算结果进行对比分析,表明模型的计算结果是可信的。 关键词 Robot;竖向弹性地基梁;地下连续墙;板桩
中图分类号TP242 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)23-0248-02
板桩码头是码头主要结构型式之一,它主要靠板桩下端沉入地基来工作,其上端一般多设锚碇,结构简单,材料用量少,造价便宜,在我国得到了广泛的应用。目前,板桩墙的主要计算方法有自由支承法、弹性线法和竖向地基梁法。自由支承法仅用于单锚板桩墙的自由支承工作状态,且没有明确反映“踢脚”稳定的安全度[1]。弹性线法仅用于单锚板桩墙的弹性嵌固状态,可用于小刚度小位移的板桩工程,对于刚度较大的板桩墙(如现浇地下连续墙),弹性线法计算结果往往偏于危险,不宜采用[2];无论从理论上分析还是根据试验结果,板桩墙入土段的工作情况既不是自由支承,也不是完全嵌固,而是比较接近竖向弹性地基梁情况[3]。竖向弹性地基梁是随着计算机的发展而推广采用的方法,该法将板桩作为弹性梁考虑,板桩入土部分土体约束作用以分布弹簧代替,该法反映了墙土相互作用的机理,计算前提较为接近实际,可适用于单锚和多锚板桩墙的任何工作状态[4-5]。
基于竖向弹性地基梁的计算理论,本文介绍了利用Robot结构分析软件建立板桩墙计算模型的方法,并通过对《港口工程结构设计算例》[6]中地下连续墙结构计算算例建模来阐述模型各个主要参数的取值,同时通过将模型计算结果与算例结果进行对比分析对模型输出结果进行了讨论。
1 利用Robot建立板桩墙结构计算模型的主要思想
Robot Millennium(简称Robot)是一个通用的有限元结构分析和设计软件,它用于各类结构类型的建模、分析和设计,包含多个不同功能类型的软件模块。考虑到板桩墙为钢筋混凝土薄壁结构,本文建模选用Robot的“壳单元”模块。建模的主要思想有以下3点:
1)模型可以选用单位宽度(平面模型)或是单个结构段长度(空间模型)为计算单元,采用杆构件或是板与杆组合构件搭建结构模型。
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2)基于竖向弹性地基梁的计算理论,利用“m”法将板桩入土部分土体约束作用以满布弹簧代替。
3)将拉杆与锚碇结构的约束作用简化为一个弹性约束。 2 工程建模实例
为了确保模型计算结果验证数据的正确性,本文选用《港口工程结构设计算例》第三章中地下连续墙结构算例作为建模实例。 2.1主要设计条件 2.1.1主要高程 码头面高程:4.00m 码头前沿泥面高程:-10.0m
码头前沿泥面高程超深按0.5m考虑 拉杆高程:1.00m 拉杆间距:1.5m 2.1.2自然条件 设计高水位:2.08m
设计低水位:0.27m;极端低水位:-1.63m;地下水位:2.00m 2.1.3工程地质条件
注:表中各指标为《港口工程结构设计算例》第三章中地下连续墙结构算例中取值。 2.2模型建立
利用robot的“壳单元”模块,取单位宽度为计算单元(见图2),由于码头采用的为地下连续墙结构,且地连墙与上部结构为固结连接,模型将单位宽度内地连墙与上部结构均简化为梁构件来考虑,杆件截面尺寸为1 000mm×950mm。 2.2.1竖向弹性地基梁地基反力系数的确定
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根据竖向弹性地基梁计算理论,将板桩入土部分土体约束作用以分布弹簧代替,为了避免弯矩分布图呈锯齿状且使得弹簧作用能更好地接近地基约束连续且沿深度增加的作用方式,模型区别于算例将板桩入土段墙前假定设有8段弹性杆的处理方式,采用竖向地基梁满布弹簧的算法,将板桩入土段分为7个单元(可根据土层分布情况取各个单元长度),根据《板桩码头设计与施工规范(JTS167-3-2009)附录A,水平地基反力系数K的计算公式为: K—水平地基反力系数(KN/m3);
m—水平地基反力系数随深度增大的比例系数(KN/m4); Z—计算点距计算水底的深度(m)。
通过计算求得每个单元中点处的水平地基反力系数K(见表2),在robot中通过菜单栏“几何”→“附加属性”→“杆弹性地基”来定义各个弹性杆单元的弹性地基属性。 2.2.2锚碇墙及拉杆作用的简化
将拉杆与锚碇墙的作用简化为作用在锚碇点的一个沿拉杆轴线的弹性约束(见图2),拉杆与锚碇墙相当于两个串联的弹性约束,设拉杆的实际弹性系数为C1,锚碇墙的弹性系数为C2,其中C1取值大小与拉杆的直径、间距相关,锚碇墙弹性系数与锚碇墙高度等相关,C1、C2及串联后的弹性系数C计算公式为[4,7]:
其中:E—拉杆的弹性模量,为2.06×105(N/mm2); F—拉杆的横截面积,拉杆直径为95mm; L0—拉杆间距,本工程为1.5m;
kH—锚碇墙、锚碇板的水平抗力系数(KN/m3),取3 700 kN/m3[8]; bk—锚碇墙、锚碇板的计算宽度(m),取拉杆间距1.5m; ha—锚碇墙、锚碇板的高度(m),本工程为6.73m;
上述公式计算得到的C值为拉杆单个拉杆间距宽度内的(本工程为1.5m)的弹性系数,由于模型是取单位宽度来建立的,实际施加到单宽模型上的弹性约束系数应为,计算得14 400 kN/m。 2.2.3模型侧边及板桩墙底部约束处理