摘 要:用有限元程序staad/pro建立了烟囱桩支圆板基础的块体有限元模型,分析和研究了桩支圆板基础在对称荷载下应力产生、分布和发展的情况,提出了该基础的受力机理模型.
关键词:烟囟;桩支圆板基础;有限元分析
烟囱是火力发电厂的重要建筑物,但是在滨海火电厂中,烟囱基础经常位于地质条件不理想的场地土上,所以最常见的烟囱基础是桩支圆板基础.长期以来,国家规范[1]没有相应的条文,也缺乏对桩支圆板的试验和理论研究成果,在设计上,工程人员只能根据经验采取各种简化方法,因此有必要对其进行研究.本文利用有限元程序对桩支圆板基础进行了分析和研究.
1 有限元程序
本文采用的有限元分析软件是staad/pro.程序采用八节点等参三维块体单元[2].程序中采用的混凝土本构模型为线性弹性模型,有限元分析为弹性分析.混凝土的破坏准则采用应力破坏准则.
2 计算模型
本文采用的计算模型为实际模型尺寸.由于圆板基础的中心对称性,可以仅取四分之一结构进行计算,外形尺寸的的取值主要参照烟囱规范[1]的规定,见图1(图中a、b、c、d、e各点为后述的应力考察点).为了研究圆板厚度对受力性能的影响,分别建立了板厚h=1.2m,1.5m,1.8m的三组模型进行分析.同时建立了不同桩距sp、加荷面积和不同荷载级别f的模型,以考察这些因素对圆板基础受力性能的影响.
单元网格划分见图2,高度方向按300~500 mm的台阶分为四层,平面方向网格由程序生成,相邻节点间距控制为300~500 mm.采用c25混凝土,弹性模量ec=2.80×104n/mm2,泊松比υc=0.2.截取高度大于圆板厚度一半的筒体,在其上端各节点施加由上部结构传来的荷载.桩的布置原则:径向按等半径的环状布置,环向按等桩距布置,保持径环向都等距.
3 计算结果及分析
3.1 主应力的分布
1.8 m的桩支圆板基础径向截面主应力σ11的等应力曲线图.由对称性可知,主应力σ11和主压应力的方向都在径向截面的平面内,而且主压应力曲线的分布与σ11的等应力曲线大致相同.因此从图中可以观察到主应力分布的特点:在桩顶至筒体根部连线范围以内的主应力较大,而连线以外的主应力衰减很快.主压应力曲线向外凸,形成一个拱状的壳形斜压杆.可以认为上部荷载主要是通过壳形斜压杆传递到桩顶的,斜压杆与荷载传递方向平行.
3.2 正应力σx的分布
是f=12.5 mn,sp=3d,h=1.2 m的桩支圆板基础在a、b、c、d、e以及筒体根部共6个截面的正应力σx的分布图.图5是sp=3d,h=1.2m的桩支圆板基础在不同外荷载f作用下筒体根部边缘截面(c截面)正应力σx的分布图.从图中可以发现正应力σx的分布规律:
径向:正应力σx在筒体根部截面获得最大值,向内、外两个方向逐渐减少,过最内、外排桩中心后正应力值很小;沿截面高度:离筒体根部较远位置的σx接近直线分布,筒体根部位置的σx当外荷载较小时呈接近直线,当外荷载增大时呈略向下凸的曲线;随着外荷载的增大,正应力σx相应增大,应力分
布曲线向下凸的幅度增大.τxz在筒体边缘获得最大值,向内、外两个方向逐渐减少,过最内、外排桩中心后剪应力值很小.筒体根部中心截面的剪应力小于筒体根部边缘截面的剪应力;沿截面高度:筒体根部边缘截面的剪应力值在上、下半部分都有峰值,总体上,整个截面的应力分布较为均匀.可以认为剪应力的分布受斜压杆作用的影响,在筒体根部至最内、外排桩边的连线范围内较大;随着外荷载的增大,剪应力τxz相应增大,但应力分布曲线形状保持不变.
4 各种模型参数的影响
4.1 板厚的影响
厚度不同的桩支圆板基础在筒体根部位置截面的正应力σx和剪应力τxz的分布图.可以发现,随着板厚的增加,相同截面的正应力和剪应力都明显减小,应力分布也趋均匀,这说明了板厚大的圆板基础比板厚小的圆板基础具有更高的承载力.
4.2 桩距的影响
是f=12.5 mn,h=1.2 m,桩距不同的桩支圆板基础筒体根部中心截面的正应力
σx以及筒体根部边缘截面的剪应力τxz的分布图.可以发现,随着桩距的增大,正应力也同时增大,但桩距由3d增大到4d时,正应力的增长幅度不明显.剪应力τxz基本上也是随着桩距的增大而增大,但与正应力相比较为不明显.
4.3 烟囱筒体根部面积大小的影响
筒体根部厚度决定根部的面积.观察f=12.5mn,sp=3d,h=1.2 m,筒体根部厚度t不同的桩支圆板基础筒体根部截面的正应力σx和剪应力τxz的分布图(应力图省略).可以发现,随着t的增大,正应力和剪应力都同时减小,但幅度不大,这种影响比板厚和桩距的影响要小得多.
5 桩支圆板基础的受力机理模型
通过上面的讨论,可以归纳出烟囱桩支圆板基础在对称荷载作用下的受力特点.
(1)圆板主要通过主压应力流传递荷载,并在筒体根部与桩之间形成壳形斜向压杆,斜向压杆以外的应力衰减很快.
(2)主应力以及破坏斜裂缝的方向均与荷载传递方向一致.
(3)由于底层截面的拉应力较大,纵向钢筋的配置将起着限制纵向变形和斜裂缝发展的作用,为充分发挥混凝土的抗压强度,配筋量不宜太少,并应有足够的锚固长度.
据此可以建立烟囱桩支圆板基础在对称荷载作用下的受力机理模型(图12):在板内从各桩顶至筒体根部形成了彼此相连的一系列受压短柱,连接约呈一环锥形.受压拱状短柱的上部支承于筒体,下端的垂直分力传给桩顶,如果配有板底抗弯纵筋,则水平分力便由板底纵筋承担.这样便由受压短柱和底部纵筋构成一个空间桁架,形成“拱”和“梁”的协同受压短柱成为斜向压杆,起拱的作用,而上部受压区的混凝土和纵向钢筋起梁的作用,机构中力矩由纵向钢筋和受压区混凝土共同抵抗,而剪力由斜向压杆来承担.
6 结语
本文利用有限元程序staad/pro对烟囱桩支圆板基础在对称荷载作用下的受力特点进行了分析,讨论了各种因素对其受力特性的影响,提出了该基础在对称荷载作用下的受力机理模型.本文的研究结果对建立该基础的实用设计法有重要的指导意义,后续论文将对该基础的设计方法进行讨论,并提出实用的设计法.
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