關(guān)于Staad Foundation 在筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

譚立佳

(北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司，北京 102600)

筏板基礎(chǔ)是在建筑中被廣泛采用的基礎(chǔ)形式類型之一。

一般常用以下幾種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)筏板基礎(chǔ):

第一種，板帶近似法，一般用于近似計(jì)算。

第二種，有限元法，用于詳細(xì)計(jì)算。

現(xiàn)在有許多軟件可進(jìn)行筏板的有限元分析。這里介紹一種叫Staad Foundation的軟件進(jìn)行筏板分析。

Staad Founadtion是一款專門的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件。該軟件有三種設(shè)計(jì)模式可供選擇:一般結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模式(Generalmode)、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模式(Plantmode)、簡單的工具式核算模式(Toolkit Mode)。這里的一般結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模式下可以進(jìn)行柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，聯(lián)合基礎(chǔ)，筏基礎(chǔ)，樁筏等基礎(chǔ)類型設(shè)計(jì);工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模式可以進(jìn)行熱交換器基礎(chǔ)，管道基礎(chǔ)，大型罐基礎(chǔ)等設(shè)計(jì)。簡單工具模式下，設(shè)計(jì)人員可以向?qū)降暮唵屋斎氩⒃O(shè)計(jì)各種類型的基礎(chǔ)。

這里只進(jìn)行筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析與實(shí)例說明。Staad Foundation做為一款Staad pro結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的補(bǔ)充，其核心技術(shù)與Staad pro是相同的，所以在使用Staad pro與Staad Foundation計(jì)算筏板時(shí)結(jié)果是相差不大的。但Staad Foundation的前處理以及后處理與Staad pro大不相同，前處理階段模型的建立得到了極大的簡化，后處理階段的數(shù)據(jù)以及圖表表現(xiàn)的更為詳細(xì)、直觀、簡潔。與其他有限元軟件比較使用更方便。

Staad Foundation的界面各區(qū)域功能簡單介紹如下:

上部:工具欄，包括Home，View，Tool與Help四個(gè)大主選項(xiàng)，其中Home與Tool下的許多工具按鈕功能與左邊的樹狀命令菜單功能相同，這里會(huì)在實(shí)例中介紹筏板分析設(shè)計(jì)中常用的幾個(gè)按鈕。

左邊:一般菜單選項(xiàng)區(qū)(樹狀菜單)，一般按照設(shè)計(jì)順序由上而下進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作。

右邊:為荷載輸入和其他數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)。當(dāng)選擇左邊區(qū)域的相應(yīng)菜單選項(xiàng)后，右邊就出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的對(duì)話框，以便提供各種數(shù)據(jù)輸入接口，設(shè)置選項(xiàng)等。

下邊:設(shè)計(jì)結(jié)果輸出區(qū)，當(dāng)對(duì)方案設(shè)計(jì)時(shí)和設(shè)計(jì)完成后，將在此區(qū)域顯示設(shè)計(jì)進(jìn)度和設(shè)計(jì)結(jié)果。

Staad Foundation可以進(jìn)行三種數(shù)據(jù)輸入方式進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì):

第一種:單獨(dú)輸入設(shè)計(jì)基礎(chǔ)所需數(shù)據(jù)建模進(jìn)行設(shè)計(jì);通過在左邊樹狀菜單進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)或所需設(shè)計(jì)任務(wù)的數(shù)據(jù)輸入。

第二種:可以通過導(dǎo)入Staad pro上部結(jié)構(gòu)生成數(shù)據(jù)建模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第三種:可以通過Staad pro生成Staad Foundation所需要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)然后加以分析設(shè)計(jì)。

根據(jù)筆者實(shí)際使用中經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在為上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用后兩種方法設(shè)計(jì)更加簡單方便，同時(shí)可以避免數(shù)據(jù)導(dǎo)入出錯(cuò)，還可以在上部結(jié)構(gòu)變化時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，避免大量重復(fù)工作。但這兩種方法有其局限性，都需要與Staad pro配合使用。后兩種導(dǎo)入數(shù)據(jù)方法的不同之處在于，第二種導(dǎo)入方式下會(huì)讀取全部上部結(jié)構(gòu)柱下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，第三種可以有選擇的進(jìn)行讀取，可以只選取需要設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)以及設(shè)計(jì)所需要的荷載數(shù)據(jù)。

以下以某一廠房筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析說明:

實(shí)例:某廠房，位于沙漠地區(qū)，地基土質(zhì)為細(xì)砂，基床系數(shù)取10 000 kN。該地區(qū)風(fēng)力很大;地上結(jié)構(gòu)部分接近50m，考慮設(shè)備，實(shí)際高度接近60 m。上部結(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu)，地下部分采用筏板基礎(chǔ)(見圖1)。

圖1 某工業(yè)廠房三維模型

在進(jìn)入前處理階段前應(yīng)進(jìn)行簡單的分析判斷，以便在建模中確定更好的方案，避免重復(fù)工作。該上部結(jié)構(gòu)豎向及水平荷載很大，因而筏板基礎(chǔ)埋置較深，面積較大，材料用量較多，筏板基礎(chǔ)模型的建立對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很大影響，在模型的建立上應(yīng)綜合考慮效果:

用Staad Foundation進(jìn)行分析的基本步驟:

第一步:導(dǎo)入上部數(shù)據(jù)。這里采用第三種方法，通過Staad pro模型生成下部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)。在Staad pro中分析進(jìn)行后，進(jìn)行后處理，點(diǎn)擊Foundation Design界面中會(huì)出現(xiàn)“Foundation selection option”對(duì)話框?？筛鶕?jù)需要選擇需要設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)的支座(support)和所采用的荷載工況(load case)，選好點(diǎn)擊Launch STAAD.Foundation，生成所需要的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件“＊＊＊.afs”。

第二步:打開新生成的“＊＊＊.afs”文件，根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇定義輸入和輸出的設(shè)計(jì)單位，可通過Home下的Setting工具欄中的Unit Setup設(shè)置。該實(shí)例采用SI標(biāo)準(zhǔn)單位。

這里需要注意的是:Staad Foundation的輸入數(shù)據(jù)都帶有自己的單位。每個(gè)輸入數(shù)據(jù)可以單獨(dú)設(shè)置，輸入數(shù)據(jù)時(shí)需要注意后面相應(yīng)的單位，以免出錯(cuò)。

第三步:選擇基礎(chǔ)類型:筏板基礎(chǔ) (Mat foundation job)。

第四步:輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立幾何模型。建模時(shí)盡量使建筑物重心與筏基平面的形心重合。筏基邊緣宜外挑，挑出寬度應(yīng)由地基條件、建筑物場地條件、柱距及柱荷載大小、使地基反力與建筑物重心重合或盡量減少偏心等因素綜合確定，一般情況下，挑出寬度為邊跨柱距的1/4～1/3。這里經(jīng)過簡單分析后，因?yàn)橹苓呌幸咽┕せA(chǔ)，為避免與周邊結(jié)構(gòu)物及構(gòu)筑物基礎(chǔ)發(fā)生沖突，挑出寬度為1 m，同時(shí)因筏板有凸出部分，要考慮凸出部分對(duì)筏板強(qiáng)度設(shè)計(jì)的影響，尤其是抗剪及抗沖切的影響，為了避免加大板厚在凸出部分內(nèi)角進(jìn)行了處理。在確定板厚時(shí)，通常由抗沖切和抗剪強(qiáng)度來確定，同時(shí)要滿足抗?jié)B要求;局部柱距及柱荷載較大時(shí)，可在柱下板底加墩或設(shè)置暗梁且配置抗沖切箍筋，來增加板的局部抗剪切能力，避免因少數(shù)柱而將整個(gè)筏板加厚;這里由于施工需要以及為了滿足進(jìn)度要求，采用板厚1 500 mm。埋深方面，在考慮上部結(jié)構(gòu)情況以及周邊情況，同時(shí)為滿足使用要求，埋深設(shè)為3 m。

第五步:劃分有限元網(wǎng)格。在建立有限元網(wǎng)格時(shí)，存在劃分單元格大小的問題，劃分的越小精度越大，但分析耗費(fèi)時(shí)間較多，這里進(jìn)行了兩次劃分與分析，承載力演算及模型初定時(shí)劃分單元格相對(duì)精度低，強(qiáng)度設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)為了使配筋更合理，將精度提高了;劃分方法包括自然離散，人工離散。這里采用的是自然離散。

第六步:分析。在分析時(shí)，屏幕下方的輸出菜單會(huì)顯示輸出進(jìn)度。分析過程中，有可能會(huì)提出警告，有的是一些無關(guān)結(jié)構(gòu)原因的，而只是輸入命令格式問題，如荷載名稱過長;有些則是結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)不合理，這時(shí)軟件仍會(huì)進(jìn)行分析到結(jié)束，但分析過程因?yàn)榇嬖诘諗坎涣?，?huì)引起計(jì)算時(shí)間過長。

第七步:查看分析結(jié)果，包括地基承載力(見圖2)，沉降位移(見圖3)，脫離面積，剪應(yīng)力，彎矩等。

圖2 地基承載力

圖3 筏板的沉降

Foundation的輸出結(jié)果即可以通過表格與圖形兩種相結(jié)合的方式顯現(xiàn);圖形顯示可顯示各種工況下的承載力，應(yīng)力分布情況。

最大沉降為17.1 mm＜25 mm，滿足要求。脫離面積:脫離面積是用來考慮結(jié)構(gòu)在水平荷載或向上的荷載情況下基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的面積，是用來檢驗(yàn)在風(fēng)或地震、設(shè)備等作用下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)重要參考技術(shù)指標(biāo)，用來衡量傾覆驗(yàn)算以及抗浮情況。

剪應(yīng)力:SQX，SQY。

彎矩:MX，MY。為單位寬度的彎矩。

注意:這里的應(yīng)力輸出都是局部坐標(biāo)下的結(jié)果。

第八步:查看結(jié)果后進(jìn)行配筋。

先輸入設(shè)計(jì)參數(shù):鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Fy，混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值Fc，保護(hù)層厚度等，然后設(shè)計(jì)。

在結(jié)果概要中，會(huì)發(fā)現(xiàn)配筋結(jié)果很大。在板上是用線切割板時(shí)，在切割有柱子經(jīng)過的地方時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)柱下彎矩極其大(如圖4所示)。

圖4 某一荷載工況下的一條線下的彎矩情況

在沿切線設(shè)計(jì)報(bào)告中，這里顯示的是設(shè)計(jì)配筋時(shí)所用到的各工況下的最大絕對(duì)值組成的彎矩包絡(luò)圖(見圖5)，在包絡(luò)圖中仍可以發(fā)現(xiàn)柱子經(jīng)過的地方柱下彎矩極大。設(shè)計(jì)配筋時(shí)結(jié)果相對(duì)應(yīng)的也比其他地方大很多。

圖5 沿切線設(shè)計(jì)報(bào)告對(duì)話框（顯示彎矩包絡(luò)）

在沿切線設(shè)計(jì)報(bào)告中我們應(yīng)考慮上部混凝土短柱與筏板相重疊部分對(duì)配筋的影響，這里認(rèn)為在短柱下部分構(gòu)成了剛域，只考慮短柱外半個(gè)板厚處的彎矩及配筋。

［1］地基及基礎(chǔ)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1980.

［2］GB 50007-2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318M-11)and Commentary，American Concrete Institute.