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堆煤與地基相互作用的有限元分析

發布于:2023-03-30 21:52
有限元分析

      土與結構的相互作用問題是地基基礎學科中的經典問題,以有限元分析為主的數值方法在處理復雜模型和邊界問題時顯得更具優勢,因此常常運用于基坑開挖、樁基礎分析等典型土與結構相互作用的實際工程分析中,然而在這類問題分析中,如何將外部荷載很好地考慮到模型中,這對結果會產生很大的影響,F實中,許多有限元分析為了便于建模和計算,常常將實體作用簡化成荷載形式施加于待分析物體,這樣就忽略了荷載與結構的相互作用,而堆煤倉對于地基結構的作用無疑也屬于這一范疇。本文的目的是借助某堆煤倉的實際案例,分別采用傳統的荷載-結構模型以及堆煤-結構相互作用模型來進行有限元分析計算,來發現兩者結果之間的差別,并給出堆煤倉地基基礎設計有限元分析甚至其他類似有限元分析過程中的建議
      某堆煤球形倉,初步設計為6座直徑120m儲煤中轉庫,現在分步進行實施,初期建造2座直徑120m儲煤庫。該球形倉的建筑高度約68m,球面半徑約69m,高度約48m。球面外殼表面積19200m2,水平投影面積11880m2,穹頂底部半徑約63m。本工程球形倉采用分段式鋼筋混凝土環形檔料墻結構,屋蓋采用雙層鋼網殼結構。該球形倉的環形擋料墻基礎采用PHC預應力管樁方案,庫芯區采用PCC現澆混凝土大直徑管樁復合地基方案,但最終由于施工困難,仍采用PHC預應力管樁作為樁基礎加固,中心堆取料機設備基礎采用后注漿灌注樁方案。
      該場地位于鹽田和海產養殖池,人類生產和工程活動使得勘察區表層的土質差別較大,屬于不均勻地基。表層粉質粘土、粘土和淤泥質粉質粘土多呈軟塑—可塑狀,表層粉土為稍密狀,土質較差,壓縮性高,承載力低,未經處理不宜直接作為基礎持力層。①粉土呈中密—密實狀,土質相對較好,該層土可作為一般淺基礎持力層,由于粉土有擾動后易液化現象,因此對其利用時,施工過程中應避免過大的擾動。①粉土下部的②粘土為高壓縮性土層,地基承載力較小,在進行基礎設計時,應進行軟弱下臥層驗算。地基土物理力學參數可見表1。
      本案例的有限元建模分析采用Plaxis2D軟件進行,其程序中板單元可以用來模擬地層中細長的、且具有相當抗彎剛度和軸向剛度的結構對象,如擋土墻、隧道襯砌、樁基礎等。板的材料性質主要由兩個參數決定,即抗彎剛度EI和軸向剛度EA,板的等效厚度可由公式確定。
      Plaxis中還設置了用于模擬土與結構相互作用的界面單元,眾所周知,樁基礎打入地層后會使得基樁周圍的土層松動、強度降低,因此,在Plaxis中可以設置樁周土體強度的折減系數Rinter來模擬松動區域的土層的強度降低,是一種有效的模擬方法。
      鑒于整體堆煤倉模型關于中心取料機中心對稱,因此模型選擇為軸對稱模型,如圖1。
      對于模型的邊界條件,如選取不當,可能會對計算結果產生重要的影響。進行有限元分析時,主要需要考慮的是地基的邊界范圍和約束條件的確定。一般來說,地基邊界采用截斷邊界不會引起太大的誤差,截斷邊界應遠離受力區域,因此,本模型在水平范圍內,截斷邊界距離樁基礎仍留有2~3倍基礎寬度,深度方向考慮建模至變形微小的土層,因此最終確定的模型土層范圍選取為180m×70m。


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