趙 靚,許嬌嬌

（1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春130021；2.河海大學，江蘇 南京210098）

使用大型履帶式起重機進行吊裝時，由于吊臂的旋轉(zhuǎn)，吊車對地基的壓力不是均勻分布的，在驗證地基承載力的過程中不能按照均布荷載計算。[基礎工程分析與設計]提出了一種將偏心荷載簡化成均布荷載的方法。本文用有限元軟件ABAQUS 來模擬吊裝時在偏心荷載下路基箱底部基底反力的分布情況，并與簡化方法以及傳統(tǒng)計算方法進行比較。

1 有限元模擬

1.1 整體模型建立

1.1.1 地基模型

地基基礎問題的解決，不宜單純著眼于地基基礎本身，按常規(guī)設計法設計時，更應把地基、基礎與上部結(jié)構(gòu)視為一個統(tǒng)一的整體并滿足三者之間的內(nèi)力平衡與變形協(xié)調(diào)，從整體的角度出發(fā)研究結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移變化。

考慮共同作用的整體計算，合理地選擇地基模型，對整個結(jié)構(gòu)的受力及變形分析有顯著影響。ABAQUS 提供的模型有線彈性模型、Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager 帽蓋模型等，本文結(jié)合土體的非線性問題選取Mohr-Coulomb 模型。

1.1.2 計算模型

路基箱計算時用到的模型有3 種：懸臂梁模型、彈性地基梁模型與接觸模型。其中接觸模型比較真實反映路基箱的實際受力狀態(tài)，本文模擬過程中選取接觸模型：在不同介質(zhì)物體相互接觸的界面之間采用接觸單元。

表1 土體簡化模型物理參數(shù)表

1.1.3 模型建立

在采用大型有限元分析軟件ABAQUS 進行數(shù)值分析中,對于地基土體、履帶以及路基箱，采用B22 二階平面梁單元。

為減小邊界條件的影響，地基土的平面范圍選取路基箱基礎相應尺寸的5～6 倍（40 m×30 m），深度上選取有效土層，對路基箱下面范圍內(nèi)的土體網(wǎng)格細化。設置土體邊界條件：模型底面全自由度約束；四周法向自由度約束。

根據(jù)土體簡化模型物理參數(shù)（見表1）建立整體模型，整體模型如圖1所示。

1.2 數(shù)值模擬分析

偏心荷載作用在路基箱上，路基箱尺寸5.05 m×12 m。沿路基箱長度方向荷載均勻變化，從80 kPa 增加到240 kPa，沿寬度方向荷載保持一致，即施加單向偏心荷載。沿路基箱長度方向基底反力分布仍然呈偏心情況，其中反力分布較均勻的區(qū)域長度約為10 m；沿路基箱寬度方向基底反力分布比較均勻，其中反力分布均勻的區(qū)域長度約為5 m。

圖1 整體模型

2 將偏心荷載等效成均布荷載及其驗算

2.1 偏心荷載基礎有效尺寸的確定

在［基礎工程分析與設計］中介紹了一種將偏心荷載簡化成均布荷載的方法。

偏心荷載可以簡化成豎向軸心力與彎矩的組合，根據(jù)軸力及彎矩的大小來判斷基底的有效使用尺寸。Meyerhof（1953），Hansen（1970）研究和觀察指出基礎的有效尺寸（見圖2）如下：

并在承載力分析計算中求得有效基礎面積：

當作用矩形分布荷載時，壓力中心在B′L′區(qū)域的中點A′，從圖5有：

式中：L——基礎的原始長度；B——基礎的原始寬度；L′——基礎的有效長度；B′——基礎的有效寬度；ex，ey——X，Y 軸的偏心距。

將L 代入，求得，如無偏心，B′或L′就采用實際尺寸。

圖2 承受偏心荷載地矩形基礎計算基礎有效尺寸的方法

2.2 等效計算

采用上述有限元中的地質(zhì)參數(shù)以及計算模型。有限元計算中矩形基礎長12 m，寬5 m，軸向荷載9 600 kN，Mx=9 600 kN·m，My=0，經(jīng)計算后的地基承載力為300 kN/m2。

同時，e＜l/6=2

求得，

承載力驗算：

所以有效尺寸的地基承載力滿足使用要求。

3 結(jié) 語

將偏心荷載簡化成均布荷載，計算得到的有效尺寸為10 m×5 m，驗算后的地基承載力滿足要求。同有限元軟件計算相比，有限元軟件模擬的結(jié)果可知在沿路基箱底部長度方向基底反力在基底10 m 范圍內(nèi)均勻分布，沿寬度方向基本均勻分布。且簡化的方法驗算地基承載力滿足要求。由此可見此方法可用。

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