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d_c表征。C40混凝土损伤程度与对应的d_c值关系如表1所示。

表1 基于d_c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