结构计算软件在地下水池结构高水工况组合下内力计算的探讨

蒋志文

（广东省建筑设计研究院有限公司，广州 510150）

1 引言

作为结构算例，为使对比简洁直观，模型应尽量简单。选择一个半埋地的矩形水池分别采用盈建科YJK-V3.0.2 版，上海佳构软件科技有限公司通用的建筑结构软件佳构STRATV7.2、MIDAS Gen 2020 版进行计算分析。本文仅探讨高水工况组合下底板内力差异并结合软件技术文档及自身工程经验进行深入分析。

2 结构概况

水池平面尺寸为20 m×12 m×5 m，底板底标高-3.5 m，底板厚度0.5 m，外挑1.3 m，池壁厚度0.4 m，顶板厚度0.4 m，顶板上覆土厚度0.7 m。如图1 所示。

图1 水池剖面图

3 参数取值

1）土重度γt=18 kN/m3，钢筋混凝土重度γc=25 kN/m3，水容重γw=10 kN/m3；

2）池顶绿化活荷载q=3.5 kN/m3；

3）池内水位：按满水4.6 m 计；

4）地下水位：水位取地面，主动土压力系数为0.5，水土分算；

5）地基基床系数取值20 000 kN/m3。

4 整体抗浮计算

由于YJK、STRAT、MIDAS Gen 计算前提为模型必须满足整体抗浮，为使计算结果收敛，故需要先验算整体抗浮。

手工验算抗浮力R=18 806 kN；

浮力F=23×15×13.6×110=12 420 kN；

抗浮安全系数K=R/F=1.51。

5 模型处理

对于水池结构，YJK 采用在上部结构模块增加筏板及水池荷载的解决方案，外水土压力在地下参数中设置后由程序自动生成，由于高水工况组合涉及非线性计算假设，基础底板内力需转至下部基础模块进行计算。

STRAT、MIDAS Gen 软件建模均在同一窗口实现，故按实际输入进行建模。

6 计算结果

由表1 可知，现阶段各软件在高水组合工况下内力计算差别很大。其中YJK 底板支座处反力异常，STRAT（单拉）计算结果与MIDAS Gen 接近，STRAT（协同）计算结果远大于YJK 与MIDAS Gen。YJK壁板与底板连接处节点内力不平衡，STRAT 与MIDAS Gen 节点内力剖面基本平衡，如图2、图3 所示。

表1 各软件计算内力结果对比表

图2 STRAT（单拉/协同）内力剖面(单位：kN·m)

图3 MIDAS Gen 内力剖面(单位：kN·m)

7 原因分析

查看各软件对高水工况下技术文件说明及宣传资料，对YJK 内力异常问题将模型发回YJK 官方检验后，产生差别的缘由如下。

7.1 计算假定的不一致是导致计算结果不一致的最主要原因

YJK 高水工况组合下采用其主张的非线性计算，即先将重力（包括覆重）和外水压进行组合，以此判断地基弹簧受力范围，确定边界条件，最后形成新的计算模型进行内力计算。内力为重力与外水荷载组合计算得出的内力，无单独外水工况内力输出（软件输出单工况外水内力为倒楼盖假定下的内力，无意义）。

STRAT 软件协同计算模式，采用总量控制负弹簧模型。其原理为：根据柱底集中力相对大小，将基础底面土弹簧比例分配到单个柱底反向作为仅对水浮力起作用的弹簧支座，利用支座弹簧作为边界条件计算外水工况反力，而外水工况下地基弹簧不完全失效，重力荷载下内力与外水工况下内力最后进行叠加。根据软件推导，高水工况下的底板组合内力大于地基反力对底板产生的内力，同时也大于水浮力单独作用产生的内力，软件采用了叠加而非包络的方式。这也是STRAT推荐的计算模式。

MIDAS Gen 高水工况组合解决方案与YJK 及STRAT（单拉）思路基本一致，都是按照先组合荷载—判定地基单压土弹簧有效范围—形成新边界条件—组合荷载后进行内力计算。不同的是，MIDAS Gen 需要在荷载输入阶段就将外水压荷载放置在恒载工况下。结果查看中内力为重力与外水荷载组合计算得出的内力，无单独外水工况内力输出。

YJK、MIDAS Gen 的高水工况计算方案的结果为：在外水作用下，由于简单判定地基弹簧是否有效，未考虑基础底板非均匀性、土体压缩回弹性，重力荷载变为有利荷载，抵消了一部分水浮力，得到的内力既小于水浮力单独作用产生的内力也小于重力荷载单独作用下的内力。

而STRAT（协同）总量控制负弹簧模型，可以视为改良的倒楼盖法，考虑上部结构影响，将倒楼盖墙柱固定变为弹性支座[1]。由于外水作用下地基弹簧仍有效，即此时重力作用下地基反力产生的内力并未因外水工况而减小，将外水工况下内力与重力荷载下内力进行叠加得出内力为两者之和。

YJK、MIDAS Gen 及STRAT（单拉）计算结果偏小，而STRAT 计算结果偏于保守。

7.2 软件解决方案的整体连贯性是导致上部结构与基础内力不协调的主要因素

YJK 虽然能在上部进行筏板建模，但当涉及高水工况时，必须转到基础模块分开进行单独计算（上部等值线显示的基础内力异常，不可用）。软件目前是通过考虑上部结构刚度的方式来反映池壁和底板整体协调变形，池壁和底板之间并不是采用弹性连接，计算结果类似简支。

YJK 在上部结构传导上，内力简化处理，传导也不完整。在YJK 中，用户需要考虑是否将上部结构计算的挡土墙土压力和自定义恒载增加到计算恒载中；是否将上部结构计算的挡土墙水压力和自定义活载增加到计算活载中[2]。这些工况在基础上是没有对应荷载工况的，因此，这里须由人工交互指定这些荷载是否在基础设计中考虑。上部结构计算中对于存在地下室的情况，程序会增加一个土压力和水压力工况。软件通过将上部结构计算的挡土墙土压力和自定义恒载工况叠加到计算恒载中，将上部结构计算的挡土墙水压力和自定义活载工况叠加到计算活载中，从而实现考虑这些荷载对基础构件内力配筋等计算结果的影响。

在YJK 的上部结构荷载中，同一工况在基础模块下以不同方式、不同工况拆分进行处理。如内水压、竖向荷载以活荷载工况均布面荷载形式加载至底板，而此时内水压工况仅含上部结构计算出来的池壁水平荷载，在处理方式上按墙体长度分摊至底板，再作为荷载考虑上部结构刚度对底板进行内力计算，导致上部荷载在基础板未考虑板带所处位置，处于底板中心板带支座内力偏小。上部结构水平荷载（外水、外土）有同样问题。

STR、MIDAS Gen 中上部结构、基础建模计算结果显示高度统一，故计算出来的结果能达到节点内力平衡，单元变形协调。且在构件输入、节点连接、荷载输入及组合、边界条件设置时可根据工程实际灵活自主操作。在对模型、荷载、边界条件复核上STR、MIDAS Gen 更为直观，有别于传统模型，依靠大量参数设置对计算模型进行简化且不易复核修改。

8 结语

地下水池结构在高水工况作用下，由于地基反力不均匀，支座反力大、跨中反力小，土体受力压缩、回弹的复杂机理，在水浮力作用下，重力荷载、水浮力在底板上产生的内力是叠加还是取较大值，需要根据具体情况进行区分。在此建议，当整体抗浮及局部抗浮均满足条件的情况下，壁板与地基土未脱离，可采用“先组合荷载—判定地基单压土弹簧有效范围—形成新边界条件—组合荷载后进内力计算”，即采用MIDAS Gen或STRAT（单拉）进行计算设计。对于整体抗浮满足而局部抗浮不满足的情况，对局部抗浮不满足且仅采取增加基础配筋的设计方法时，从工程安全角度出发，宜按STRAT 基础协同总量控制负弹簧模型进行计算配筋。同时，复杂结构应采用2 种不同软件进行计算复核。