地基模拟对垫墩强度校核的影响

摘 要：本文对弱地基条件下垫墩底板的校核方法进行了分析。指出：在进行垫墩校核时，不同垫墩底板面积在相同载荷情况下的沉降量换算不可忽略，地基的准确模拟对垫墩底板的校核结果会产生重大影响。本文充分考虑地基沉降情况，改进完善了垫墩的校核方法，对钢结构建造中垫墩的设计、校核有一定的指导意义和实用价值。

关键词：强度校核；弱地基；垫墩；钢结构

中图分类号：TE52 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）10-0190-02

引言

不同场地地基的土壤成分构成、物理性质指标、物理状态指标等相关参数各不相同，目前尚无成熟的理论方法对地基进行准确的模拟[1]。因此软弱地基上垫墩底板的校核较为复杂，它既涉及到钢结构设计校核又与土力学知识紧密相关，边界条件的设置尤为重要，会对校核结果产生重大影响。找到合适的地基模拟方法是解决这个问题的关键。下面对直接置于天然或土层相对较弱地基之上垫墩底板强度校核方法进行讨论。

地基沉降量的换算及地基的简化模拟

对于重要的工程，一般采用沉降试验的方法得到地基相应的数据参数。进行沉降试验时，地基受力面积及加载工况通常与工程施工中所用垫墩底板面积不同。因此在进行地基的简化模拟时，须充分考虑垫墩底板面积及垫墩所受载荷的情况。

根据我国工业与民用建筑中常用的《建筑地基基础规范》（GB50007-2002）推荐法，视地基土为均匀、等向的半无限空间弹性体，即在载荷的作用下土中的应力与应变呈直线关系[2～3]。由此，在进行垫墩下地基模拟时，可将地基视为大量弹簧的组合，在ANSYS软件中可用弹簧单元进行模拟。下面用实例来进行说明。

试验采用平板载荷试验的方法进行，同一场地共选取五个点进行了试验，承压板为1.5m*1.5m的方板。实验得到该场地地基承载力特征值对应地基沉降量为9.82mm。假如某工程需要A、B、C三种不同类型的垫墩，根据《建筑地基基础规范》（GB50007-2002）推荐法计算可以得到表1所示的对应不同垫墩的地基沉降量。

由表1可以看出，同一场地上，垫墩底板面积越大，相同载荷情况下的沉降量越大。这是因为垫墩底板面积越大，其影响的地基面积越大，计算相应深度增大导致的。

通过上面的计算得到了不同垫墩在特征载荷时的沉降量。视地基为弹性地基，可得到地基弹性系数。可见即使在同一场地上，对于不同底板面积的垫墩，在简化模拟地基时，地基的弹性系数也是不同的。

垫墩底板的校核

在建模分析时，不能将垫墩下面的地基模拟为一个单一的弹簧，而应将地基模拟为大量均布在底板下面的小弹簧。这是因为假如将地基模拟为一个弹簧，底板仍为刚性，无法得到其应力及应变数据。

在用有限元分析软件进行底板校核时，在底板下面设置n个弹性杆单元，杆单元长度为L，截面积为a，则每个弹性杆单元的弹性模量为：

边界条件设置：弹性杆单元下端全约束，上端对水平自由度进行约束，垫墩顶端施加实际载荷，如图1所示。图2为计算得到垫墩B底板的最大变形及应力云图。

下面将该方法得到的结果与两外两种方式的校核结果进行对比。图3为垫墩底板全约束时得到的底板应力云图，可以发现，此时并未对底板进行任何运算。图4为反向加载（即在垫墩底板上均匀加载载荷，顶板受力位置进行全约束）时得到的应力云图。对比可以发现，结果中的最大应力相对稍大。

三种方法对比可以发现，垫墩底板全约束的方式认为底板无变形，分析得到的结果不包括底板的校核情况；反向加载的方式视地基为全柔性，垫墩工作时底板上各处受力均相等，得到的结果过于保守；采用本文的方式模拟地基的方式较为合理，能得到理想的垫墩底板校核数据。

结论

本文对弱地基条件下垫墩底板的强度校核方法进行了分析。指出对于垫墩底板强度分析，地基的准确模拟对计算结果会产生重大影响，同一地基上不同垫墩底板面积在相同载荷情况下的沉降量换算不可忽略，在进行地基沉降试验的基础上，采用弹性理论对地基进行模拟会得到理想的分析结果。

作者简介： 徐学军（1984-）， 男， 研究生学历， 助理工程师， 目前从事钢结构强度计算方面的工作；电话（Tel.）：13697655640， E-mail： yongledadian@126.com

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