基于ABAQUS的地下室桩筏基础抗冲切精细有限元分析
1. 工程概况
本项目位移地铁旁，由于地铁隧道要求，结构地下室筏板基础边必须与地铁边线保持足够的安全距离，因此结构的筏板在靠近地铁一侧不能挑出太大。这使得上部结构的最外侧框架柱距离筏板边界距离不满足构造要求.设计时，通过牛腿将上部框架柱与下部地下室外墙连在一起，共同分担上部结构传来的竖向荷载，如图1所示。采用ABAQUS软件对桩筏基础进行小震及等效中、大震作用下的有限分析，验证该处理方式的安全性，分析不考虑土的有利作用，计算结果偏安全。
图1 桩筏基础布置图
2 有限元模型
图2 桩筏基础有限元分析模型
根据图1的结构桩筏基础布置图，分析模型取矩形虚线范围内3个柱范围筏板基础为研究对象，模型平面尺寸为27mX9m。在ABAUQS软件中建立有限元模型，模型如图2所示，为排除边界约束的影响，有限元分析结果以中间柱筏板为准。
2.1 混凝土及型钢单元
混凝土及型钢单元采用C3D4实体单元，中心区混凝土材料本构采用ABAQUS提供的损伤塑性(Concrete Damage Plasticity)模型，如图3所示，考虑混凝土受压和受拉损伤，材料参数根据《混凝土结构设计规范》取值。其余范围混凝土采用弹性模型，仅考虑材料刚度对分析区域的影响，不考虑该部分混凝土进入塑性。其中，桩基及筏板混凝土材料C40，框架柱混凝土材料C60。
型钢钢管采用弹性模型，材料Q345。
图3 ABAQUS混凝土损伤塑性模型
参考上海现代建筑设计（集团）有限公司技术中心编著的《动力弹塑性时程分析技术在建筑结构设计中的应用》，混凝土损伤程度可用混凝土损伤系数dc表征。C40混凝土损伤程度与对应的dc值关系如表1所示。
表1 基于dc的混凝土受压损坏程度评价
混凝土 |
完好 |
轻微损坏 |
轻度损坏 |
中度损坏 |
比较严重损坏 |
C40 |
0～0.228 |
0.228～0.321 |
0.321～0.457 |
0.457～0.667 |
>0.677 |
2.2 钢筋单元
采用T3D2空间杆单元，该单元只受拉压。材料本构采用理想弹塑性模型，不考虑钢筋强化，如图4所示，材料参数根据《混凝土结构设计规范》附录C1.2条的公式计算确定。钢筋通过*embeded插入混凝土中，不考虑钢筋的粘结滑移。
图4 理想弹塑性模型
模型暗柱、筏板及框架柱钢筋分布根据施工图进行布置，如图5、6所示，钢筋有限元模型如图7所示。此外，仅中心区混凝土布置钢筋，非中心区域混凝土采用弹性模型，可不考虑钢筋的影响。
图5 暗柱及筏板钢筋布置图
图6筏板钢筋布置图
图7 有限元钢筋布置图
2.3 荷载及约束
荷载施加考虑施工模拟的影响，分两步施加，第一步施加小震轴力，第二步施加大震轴力。构件轴力如表2所示，构件编号如图8所示。
表2 构件轴力
构件编号 |
GZ1 |
GZ2 |
GZ3 |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
小震(kN) |
14450 |
15924 |
16848 |
32743 |
36058 |
37793 |
127790 |
大震(kN) |
20780 |
23255 |
25751 |
43691 |
49018 |
54774 |
178983 |
图8 构件编号
桩端固定约束，周边筏板约束水平位移。
2.4 有限元网格
为较精确分析中心区混凝土及钢筋受力情况，控制中心区网划分尺寸为150mm，非中心区网格尺寸450mm。网格划分后，桩筏基础有限元分析模型如图9所示
图9 有限元网格模型
3 分析结果
3.1 Mises应力分析结果
图10 小震作用下筏板及钢筋小震应力云图
图11 大震作用筏板及钢筋应力云图
a）小、大震作用下暗柱1剖面应力云图
b）小、大震作用下暗柱2剖面应力云图
c）小、大震作用下筏板板底应力云图
d）小、大震作用下筏板板顶应力云图
图12 小、大震筏板剖面应力云图
从图中可以看出小震作用下，筏板混凝土最大应力为18.6MPa，钢筋最大应力为51.67MPa；大震作用下，筏板混凝土最大应力为25.65MPa，钢筋最大应力为72.18MPa。
3.2 混凝土损伤分析结果
图13 小震作用下筏板混凝土受压损伤及钢筋塑性应力云图
图14 大震作用下筏板混凝土受压损伤及钢筋塑性应力云图
图13和图14分别为小震、大震作用下筏板受压损伤及混凝土中钢筋应力云图。从图中可以看出，在小、大震作用下筏板混凝凝土受压损伤较小，混凝土仅轻微损坏，筏板钢筋塑性应变为0，钢筋处于弹性状态。
3.3 桩分析结果
图15 小、大震作用下筏板混凝土受压损伤及钢筋塑性应力云图
从图中可以看出，小震作用下桩最大轴力为1.199e4kN，大震作用下桩最大轴力为1.661e4kN.
4. 计算配置
处理器：Intel(R) Core(TM) i7-9700K CPU @ 3.60GHz 3.60 GHz
内存：32G
计算时间：3h
