偏心荷载基础底面有效尺寸的确定方法研究
2014-02-25许娇娇
赵 靓,许娇娇
（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春130021；2.河海大学，江苏 南京210098）
使用大型履带式起重机进行吊装时，由于吊臂的旋转，吊车对地基的压力不是均匀分布的，在验证地基承载力的过程中不能按照均布荷载计算。[基础工程分析与设计]提出了一种将偏心荷载简化成均布荷载的方法。本文用有限元软件ABAQUS 来模拟吊装时在偏心荷载下路基箱底部基底反力的分布情况，并与简化方法以及传统计算方法进行比较。
1 有限元模拟
1.1 整体模型建立
1.1.1 地基模型
地基基础问题的解决，不宜单纯着眼于地基基础本身，按常规设计法设计时，更应把地基、基础与上部结构视为一个统一的整体并满足三者之间的内力平衡与变形协调，从整体的角度出发研究结构内力与位移变化。
考虑共同作用的整体计算，合理地选择地基模型，对整个结构的受力及变形分析有显著影响。ABAQUS 提供的模型有线弹性模型、Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager 帽盖模型等，本文结合土体的非线性问题选取Mohr-Coulomb 模型。
1.1.2 计算模型
路基箱计算时用到的模型有3 种：悬臂梁模型、弹性地基梁模型与接触模型。其中接触模型比较真实反映路基箱的实际受力状态，本文模拟过程中选取接触模型：在不同介质物体相互接触的界面之间采用接触单元。
表1 土体简化模型物理参数表
1.1.3 模型建立
在采用大型有限元分析软件ABAQUS 进行数值分析中,对于地基土体、履带以及路基箱，采用B22 二阶平面梁单元。
为减小边界条件的影响，地基土的平面范围选取路基箱基础相应尺寸的5～6 倍（40 m×30 m），深度上选取有效土层，对路基箱下面范围内的土体网格细化。设置土体边界条件：模型底面全自由度约束；四周法向自由度约束。
根据土体简化模型物理参数（见表1）建立整体模型，整体模型如图1所示。
1.2 数值模拟分析
偏心荷载作用在路基箱上，路基箱尺寸5.05 m×12 m。沿路基箱长度方向荷载均匀变化，从80 kPa 增加到240 kPa，沿宽度方向荷载保持一致，即施加单向偏心荷载。沿路基箱长度方向基底反力分布仍然呈偏心情况，其中反力分布较均匀的区域长度约为10 m；沿路基箱宽度方向基底反力分布比较均匀，其中反力分布均匀的区域长度约为5 m。
图1 整体模型
2 将偏心荷载等效成均布荷载及其验算
2.1 偏心荷载基础有效尺寸的确定
在［基础工程分析与设计］中介绍了一种将偏心荷载简化成均布荷载的方法。
偏心荷载可以简化成竖向轴心力与弯矩的组合，根据轴力及弯矩的大小来判断基底的有效使用尺寸。Meyerhof（1953），Hansen（1970）研究和观察指出基础的有效尺寸（见图2）如下：
并在承载力分析计算中求得有效基础面积：
当作用矩形分布荷载时，压力中心在B′L′区域的中点A′，从图5有：
式中：L——基础的原始长度；B——基础的原始宽度；L′——基础的有效长度；B′——基础的有效宽度；ex，ey——X，Y 轴的偏心距。
将L 代入，求得，如无偏心，B′或L′就采用实际尺寸。
图2 承受偏心荷载地矩形基础计算基础有效尺寸的方法
2.2 等效计算
采用上述有限元中的地质参数以及计算模型。有限元计算中矩形基础长12 m，宽5 m，轴向荷载9 600 kN，Mx=9 600 kN·m，My=0，经计算后的地基承载力为300 kN/m2。
同时，e＜l/6=2
求得，
承载力验算：
所以有效尺寸的地基承载力满足使用要求。
3 结 语
将偏心荷载简化成均布荷载，计算得到的有效尺寸为10 m×5 m，验算后的地基承载力满足要求。同有限元软件计算相比，有限元软件模拟的结果可知在沿路基箱底部长度方向基底反力在基底10 m 范围内均匀分布，沿宽度方向基本均匀分布。且简化的方法验算地基承载力满足要求。由此可见此方法可用。
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