关于Staad Foundation 在筏板基础设计中的运用

谭立佳

(北京沃利帕森工程技术有限公司，北京 102600)

筏板基础是在建筑中被广泛采用的基础形式类型之一。

一般常用以下几种方法进行设计筏板基础:

第一种，板带近似法，一般用于近似计算。

第二种，有限元法，用于详细计算。

现在有许多软件可进行筏板的有限元分析。这里介绍一种叫Staad Foundation的软件进行筏板分析。

Staad Founadtion是一款专门的基础设计软件。该软件有三种设计模式可供选择:一般结构基础设计模式(Generalmode)、工业基础设计模式(Plantmode)、简单的工具式核算模式(Toolkit Mode)。这里的一般结构基础设计模式下可以进行柱下独立基础，联合基础，筏基础，桩筏等基础类型设计;工业基础设计模式可以进行热交换器基础，管道基础，大型罐基础等设计。简单工具模式下，设计人员可以向导式的简单输入并设计各种类型的基础。

这里只进行筏板基础的设计分析与实例说明。Staad Foundation做为一款Staad pro结构设计软件的补充，其核心技术与Staad pro是相同的，所以在使用Staad pro与Staad Foundation计算筏板时结果是相差不大的。但Staad Foundation的前处理以及后处理与Staad pro大不相同，前处理阶段模型的建立得到了极大的简化，后处理阶段的数据以及图表表现的更为详细、直观、简洁。与其他有限元软件比较使用更方便。

Staad Foundation的界面各区域功能简单介绍如下:

上部:工具栏，包括Home，View，Tool与Help四个大主选项，其中Home与Tool下的许多工具按钮功能与左边的树状命令菜单功能相同，这里会在实例中介绍筏板分析设计中常用的几个按钮。

左边:一般菜单选项区(树状菜单)，一般按照设计顺序由上而下进行各项设计工作。

右边:为荷载输入和其他数据输入区。当选择左边区域的相应菜单选项后，右边就出现相对应的对话框，以便提供各种数据输入接口，设置选项等。

下边:设计结果输出区，当对方案设计时和设计完成后，将在此区域显示设计进度和设计结果。

Staad Foundation可以进行三种数据输入方式进行基础设计:

第一种:单独输入设计基础所需数据建模进行设计;通过在左边树状菜单进行上部结构或所需设计任务的数据输入。

第二种:可以通过导入Staad pro上部结构生成数据建模型进行设计。

第三种:可以通过Staad pro生成Staad Foundation所需要的设计数据然后加以分析设计。

根据笔者实际使用中经验，认为在为上部结构进行基础设计采用后两种方法设计更加简单方便，同时可以避免数据导入出错，还可以在上部结构变化时，进行数据的更新，避免大量重复工作。但这两种方法有其局限性，都需要与Staad pro配合使用。后两种导入数据方法的不同之处在于，第二种导入方式下会读取全部上部结构柱下节点数据，第三种可以有选择的进行读取，可以只选取需要设计的节点以及设计所需要的荷载数据。

以下以某一厂房筏板基础设计实例进行设计分析说明:

实例:某厂房，位于沙漠地区，地基土质为细砂，基床系数取10 000 kN。该地区风力很大;地上结构部分接近50m，考虑设备，实际高度接近60 m。上部结构体系为钢框架结构，地下部分采用筏板基础(见图1)。

图1 某工业厂房三维模型

在进入前处理阶段前应进行简单的分析判断，以便在建模中确定更好的方案，避免重复工作。该上部结构竖向及水平荷载很大，因而筏板基础埋置较深，面积较大，材料用量较多，筏板基础模型的建立对结构的经济指标有很大影响，在模型的建立上应综合考虑效果:

用Staad Foundation进行分析的基本步骤:

第一步:导入上部数据。这里采用第三种方法，通过Staad pro模型生成下部基础设计依据。在Staad pro中分析进行后，进行后处理，点击Foundation Design界面中会出现“Foundation selection option”对话框。可根据需要选择需要设计的基础的支座(support)和所采用的荷载工况(load case)，选好点击Launch STAAD.Foundation，生成所需要的基础设计数据文件“＊＊＊.afs”。

第二步:打开新生成的“＊＊＊.afs”文件，根据设计需要选择定义输入和输出的设计单位，可通过Home下的Setting工具栏中的Unit Setup设置。该实例采用SI标准单位。

这里需要注意的是:Staad Foundation的输入数据都带有自己的单位。每个输入数据可以单独设置，输入数据时需要注意后面相应的单位，以免出错。

第三步:选择基础类型:筏板基础 (Mat foundation job)。

第四步:输入相关设计参数，建立几何模型。建模时尽量使建筑物重心与筏基平面的形心重合。筏基边缘宜外挑，挑出宽度应由地基条件、建筑物场地条件、柱距及柱荷载大小、使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定，一般情况下，挑出宽度为边跨柱距的1/4～1/3。这里经过简单分析后，因为周边有已施工基础，为避免与周边结构物及构筑物基础发生冲突，挑出宽度为1 m，同时因筏板有凸出部分，要考虑凸出部分对筏板强度设计的影响，尤其是抗剪及抗冲切的影响，为了避免加大板厚在凸出部分内角进行了处理。在确定板厚时，通常由抗冲切和抗剪强度来确定，同时要满足抗渗要求;局部柱距及柱荷载较大时，可在柱下板底加墩或设置暗梁且配置抗冲切箍筋，来增加板的局部抗剪切能力，避免因少数柱而将整个筏板加厚;这里由于施工需要以及为了满足进度要求，采用板厚1 500 mm。埋深方面，在考虑上部结构情况以及周边情况，同时为满足使用要求，埋深设为3 m。

第五步:划分有限元网格。在建立有限元网格时，存在划分单元格大小的问题，划分的越小精度越大，但分析耗费时间较多，这里进行了两次划分与分析，承载力演算及模型初定时划分单元格相对精度低，强度设计验算时为了使配筋更合理，将精度提高了;划分方法包括自然离散，人工离散。这里采用的是自然离散。

第六步:分析。在分析时，屏幕下方的输出菜单会显示输出进度。分析过程中，有可能会提出警告，有的是一些无关结构原因的，而只是输入命令格式问题，如荷载名称过长;有些则是结构本身设计不合理，这时软件仍会进行分析到结束，但分析过程因为存在迭代收敛不了，会引起计算时间过长。

第七步:查看分析结果，包括地基承载力(见图2)，沉降位移(见图3)，脱离面积，剪应力，弯矩等。

图2 地基承载力

图3 筏板的沉降

Foundation的输出结果即可以通过表格与图形两种相结合的方式显现;图形显示可显示各种工况下的承载力，应力分布情况。

最大沉降为17.1 mm＜25 mm，满足要求。脱离面积:脱离面积是用来考虑结构在水平荷载或向上的荷载情况下基础零应力区的面积，是用来检验在风或地震、设备等作用下结构稳定性的一个重要参考技术指标，用来衡量倾覆验算以及抗浮情况。

剪应力:SQX，SQY。

弯矩:MX，MY。为单位宽度的弯矩。

注意:这里的应力输出都是局部坐标下的结果。

第八步:查看结果后进行配筋。

先输入设计参数:钢筋抗拉强度设计值Fy，混凝土抗压强度设计值Fc，保护层厚度等，然后设计。

在结果概要中，会发现配筋结果很大。在板上是用线切割板时，在切割有柱子经过的地方时会发现柱下弯矩极其大(如图4所示)。

图4 某一荷载工况下的一条线下的弯矩情况

在沿切线设计报告中，这里显示的是设计配筋时所用到的各工况下的最大绝对值组成的弯矩包络图(见图5)，在包络图中仍可以发现柱子经过的地方柱下弯矩极大。设计配筋时结果相对应的也比其他地方大很多。

图5 沿切线设计报告对话框（显示弯矩包络）

在沿切线设计报告中我们应考虑上部混凝土短柱与筏板相重叠部分对配筋的影响，这里认为在短柱下部分构成了刚域，只考虑短柱外半个板厚处的弯矩及配筋。

［1］地基及基础［M］.北京:中国建筑工业出版社，1980.

［2］GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

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