采用SAP2000解決巖土問題實例

作為從事巖土方面工作的工程人員，在實際工作中往往會遇到有關結構上的問題，特別對于樁基礎?，F行規范對樁基礎的算法，應用比較普遍的是地基系數法，該方法計算原理很簡單，但是計算過程較為復雜，如果手算那就更為繁瑣了。還好隨著計算機的普及，很多計算問題我們都可以交給計算機來解決。SAP2000軟件對很多結構工程師而言，并不陌生，是一款非常優秀的結構分析軟件。對巖土工程師而言，如果采用SAP2000軟件來分析巖土問題，特別是樁基礎，一樣可以取得事半功倍的效果。

本文以鐵路上，特別是高速鐵路上已經廣泛用于軟土地基、濕陷性黃土地基處理的路基樁板結構為例，詳細的給出了在SAP2000結構軟件里采用地基系數法對樁基礎進行分析的步驟和過程，希望可以起到拋磚引玉的作用。

樁板結構是一種新型地基處理方法，該結構由承臺板、托梁和樁基礎組成，通過承臺板和托梁將上部荷載傳遞到樁體，再擴散到土體和基底，從而達到控制深厚松軟土及濕陷性地基路基沉降與變形破壞的目的。至于樁板結構方面的詳細介紹在此略去，感興趣的朋友可以參閱作者的論文：

《鄭西客運專線濕陷性黃土地基樁板結構設計與優化分析》 西南交通大學碩士論文 2007年5月

《路基樁板結構平面簡化法則及解析計算》鐵道工程學報 2011年第8期

1建立幾何模型

1）雙擊sap2000圖標開啟軟件→【文件】→【新建】，彈出新建模型編輯框，將單位下拉列表的初始化單位設置為“kN，m，C”，如圖1所示。

圖1

2）點擊【二維框架】，進入二維框架編輯框，樓層數選為1，樓層高度為樁的長度+，開間數為跨數，開間為跨度。去掉約束的√，見圖2。

圖2

3）點擊【確定】,建立的幾何模型見圖3

圖3

4）選取幾何模型中所有的豎向桿件，點擊【編輯】→【分割框架】，彈出分割選擇框架編輯框，選擇【分割為】，輸入12，見圖4。將每個豎向桿件分為12節。

圖4

2材料

1）點擊【定義】→【材料】，彈出定義材料編輯框。見圖5。

圖5

2）點擊定義材料編輯框的【添加新材料】，進入材料屬性數據編輯框，如圖6所示定義名為C35的混凝土材料。點擊【確定】定義完成，重復上述步驟定義C40混凝土材料。

圖6

3截面屬性

1）點擊【定義】→【框架截面】，彈出框架屬性編輯框，見圖7。

圖7

2）在編輯框右側文本框【選擇要添加屬性類型】中選擇Add Rectangular，然后點擊【添加新屬性】，進入Rectangular Section編輯框，見圖8。定義承臺板（定義名稱為BAN）的截面屬性，材料對應文本框選擇為C40，深度為板的厚度輸入0.8，寬度輸入8.8，點擊【確定】，完成定義。重復上步驟定義托梁（定義名稱為BEAM）的截面屬性，見圖9。

圖8

3）重復步驟1）在文本框【選擇要添加屬性類型】中選擇Add SD Section，點擊【添加新屬性】，進入SD截面數據編輯框，如圖10所示?；静牧线x擇C35。點擊【截面設計器】，啟動“CSISD”截面編輯器。點擊窗口左側快捷鍵Draw solid shape中的畫圓按鈕，畫兩個圓形，直徑為樁直徑，間距為樁橫向間距。然后直接關閉“CSISD”截面編輯器，截面屬性自動保存。點擊【確定】，完成定義。

4）將定義的截面屬性指定給對應的框架結構。首先，選擇所有水平桿件。點擊菜單【指定】→【框架/索/筋】→【框架截面】，彈出框架屬性截面對話框，在屬性一欄里選擇BAN，點擊確定；選擇所有豎向桿件的與水平桿件相連接的第1節。重復上述過程，在屬性一欄選擇BEAM，點擊確定；選擇所有豎向桿件的第2節至第12節，重復上述過程，在屬性一欄選擇Pile，點擊確定。  

通過設置顯示選項顯示可以3D截面效果圖：點擊快捷鍵 ，彈出激活窗口選項對話框，見圖10,在常規一列拉伸之前打√，點擊【確定】。點擊主菜單下方快捷鍵，顯示窗顯示3D效果圖見圖11。

圖11

圖12

4荷載工況和施加

1）定義靜力荷載工況

SAP2000中對于荷載工況的數目沒有限制，可以定義一個或多個荷載工況。若單獨查看某些荷載作用下的結構內力、變形等，則可以將這些荷載單獨定義一個荷載工況。樁板結構定義荷載工況時，可將所有恒載定義一個名為DEAD的荷載工況：點擊【定義】→【荷載工況】，彈出定義荷載對話框，見圖13，在對話框第一列荷載名稱輸入DEAD，第二列類型選擇DEAD（靜載）自重系數輸入1，點擊【添加新荷載】，定義完成。

圖13

重復上述過程，對列車活載、溫度荷載以及樁基差異沉降等對的應每一個荷載定義一個荷載工況。定義的荷載名稱、類型及自重系數見表1。

表1定義荷載參數

2）施加恒載

在定義恒載工況時，自重乘數為1，軟件自動考慮結構自重，施加的恒載為軌道板自重、鋼軌扣件自重。

選取材料屬性為BAN的所有桿件，點擊【指定】→【框架/索/筋荷載】→【分布】，彈出框架分布荷載對話框，見圖13荷載工況名稱選為DEAD，在均布荷載對應的文本框輸入33.85，點擊確定。

3）施加列車活載

由于列車活載的特殊性，施加列車活載之前首先要定義車道、車輛。

步驟1：定義車道，點擊【定義】→【橋梁荷載】→【車道】，彈出定義車道編輯框，點擊【從框架添加已定義的新車道】，進入車道數據對話

圖14

圖15 

框。車道名稱輸入LANE1，將所有水平桿件（承臺板）按桿件編號依次添加到車道之中，中心線偏移2.2（即線路中心線相對于承臺板中線便宜的距離），如圖14所示。重復上述過程定義LANE2，將所有水平桿件（承臺板）按桿件編號依次添加到車道之中，中心線偏移-2.2。

步驟2：定義車輛，點擊【定義】→【橋梁荷載】→【車輛】，彈出定義車輛編輯框,點擊【添加新車輛】，彈出一般車輛數據對話框，車輛名稱輸入GEN1，然后在荷載文本框添加如圖15所示7個荷載，定義好的zk活載圖式顯示在荷載立面的對象框里，點擊確定。

圖16

步驟3：定義車輛類別，【定義】→【橋梁荷載】→【車輛類別】，彈出定義車輛類別編輯框，點擊【添加新車輛類別】，彈出車輛類別數據對話框，車輛類別名稱輸入VECL1，將GEN1添加到定義車輛類別文本框中。

步驟4：定義列車活載分析工況，點擊【定義】→【分析工況】，彈出分析工況編輯框，在工況一列中選擇TrainLoad，點擊【修改顯示工況】彈出分析工況數據對話框，見圖17。分析工況類型在下拉菜單中選擇為Moving Load，將車輛類別VECL1添加為施加的荷載。將LANE1、LANE2添加為選擇的車道。

圖17

圖18

4）施加溫度荷載

用鼠標在窗口選擇需要施加溫度荷載的桿件，編號依次為：桿件2、5、8。點擊【指定】→【框架/索/筋荷載】→【溫度】，彈出框架溫度荷載對話框（見圖19）。荷載工況選擇TT（拉伸溫度荷載），類型選擇溫度，溫度選擇通過單元，在溫度后面的文本框里輸入15，點擊確定完成；重復上述過程，荷載工況選擇ST（收縮溫度荷載），對應通過單元的溫度后面的文本框里輸入-15，點擊確定完成；重復上述過程，荷載工況選擇PTG（正梯度溫度荷載），類型選擇3-3溫度梯度，對應通過單元的溫度后面的文本框里輸入20，點擊確定完成；重復上述過程，荷載工況選擇NTG（負梯度溫度荷載），類型選擇3-3溫度梯度對應通過單元的溫度后面的文本框里輸入-10，點擊確定完成。

圖19

5）施加不均勻沉降

用鼠標在窗口選擇需要施加不均勻沉降的桿件端點（樁底點單元）。點擊【指定】→【節點荷載】→【位移】，彈出地面位移對話框，見圖20，荷載工況名稱選擇DSubside，在Translation GlobalZ對應的文本框中輸入-0.005（mm），點擊確定。

圖20

至此，所有荷載工況施加完畢。

5特殊功能指定

1）節點約束（邊界條件）

用鼠標在窗口選擇樁桿件端點（樁底點單元），點擊菜單【指定】→【節點】→【約束】，彈出節點約束對話框，如圖21所示，在1軸平移、2軸平移、3軸平移前打“√”，定義為鉸接，點擊【確定】。

圖21

2）土彈簧

采用定義土彈簧可在SAP2000中利用地基系數法（M法或K法）原理來考慮樁土相互作用：

模型中，可沿單樁樁體每米分割為一個節點，建立節點彈簧，比較樁側土作用在樁上的水平抗力公式，其彈簧剛度Kz 計算如下：

M法：Kz=m*z* b0*103

K法：Kz=K * b0*103

式中   Kz——彈簧剛度/kN/m；

m——比例系數/ MN/m4；

K——地基系數/ MN/m3；

z——樁深/m。

①K法

K法定義相對簡單，步驟如下：選擇所有豎向桿件節點→點擊菜單【指定】→【節點】→【彈簧】，彈出節點彈簧對話框，見圖22，在彈簧剛度對應的Translation1和Translation2中分別填入Kz值46446。點擊【確定】，定義完成。

圖22

②M法

定義M法剛度時，因Kz跟樁深Z成線性關系，可求出每個節點對應的Kz，然后逐個節點按K法進行定義。但是這樣定義的話，如果存在成百個節點，定義工作量相當巨大。SAP2000提供了交互式數據庫編輯功能可以幫助我們輕松解決這個問題。步驟如下：

按K法給每個節點加上彈簧→選擇某一根樁對應的桿件的所有的節點→點擊菜單【編輯】→【交互式數據庫編輯】，彈出Choose Tables for Interactive Editing 對話框，見圖23；選擇【Joint Assignment】→【Table：Joint Spring Assignments】，點擊【OK】，彈出如圖24所示對話框。點擊對話框右下角的【To Excel】，彈出Excel表對話框，如圖25，這時某根樁的所有節點的彈簧剛度值全列在表里了。把計算好的Kz對應節點編號粘貼到表格里。然后在圖24對話框中點擊【From Excel】。彈簧剛度數據即導入模型中。

圖23

圖24

圖25

6分析功能

1）點擊菜單【分析】→【運行分析】，彈出設置運行分析工況對話框，點擊【現在運行】，運行完畢之后，點擊【確定】。

2）點擊菜單【顯示】→【顯示力/應力】→【框架/索/筋】，彈出框架的構件受力圖對話框，如圖7.6-1所示。工況/組合名選擇TrainLoad，分量選擇彎矩3-3，點擊【確定】，顯示列車活載作用下樁板結構的彎矩包絡圖。重復上述操作過程，分量選擇剪力2-2，顯示列車活載作用下剪力包絡圖。

圖26

同樣可以類似操作查看其他工況下的彎矩剪力圖，將最不利工況組合中各工況的彎矩剪力采用疊加原理進行疊加計算，即可求得樁板結構的的最不利彎矩剪力包絡圖。