本文以鐵路上，特別是高速鐵路上已經(jīng)廣泛用于軟土地基、濕陷性黃土地基處理的路基樁板結(jié)構(gòu)為例，詳細(xì)的給出了在SAP2000結(jié)構(gòu)軟件里采用地基系數(shù)法對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析的步驟和過(guò)程，希望可以起到拋磚引玉的作用。
樁板結(jié)構(gòu)是一種新型地基處理方法，該結(jié)構(gòu)由承臺(tái)板、托梁和樁基礎(chǔ)組成，通過(guò)承臺(tái)板和托梁將上部荷載傳遞到樁體，再擴(kuò)散到土體和基底，從而達(dá)到控制深厚松軟土及濕陷性地基路基沉降與變形破壞的目的。至于樁板結(jié)構(gòu)方面的詳細(xì)介紹在此略去，感興趣的朋友可以參閱作者的論文：
《鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土地基樁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析》 西南交通大學(xué)碩士論文 2007年5月
《路基樁板結(jié)構(gòu)平面簡(jiǎn)化法則及解析計(jì)算》鐵道工程學(xué)報(bào) 2011年第8期
1建立幾何模型
1）雙擊sap2000圖標(biāo)開(kāi)啟軟件→【文件】→【新建】，彈出新建模型編輯框，將單位下拉列表的初始化單位設(shè)置為“kN，m，C”，如圖1所示。
圖1
2）點(diǎn)擊【二維框架】，進(jìn)入二維框架編輯框，樓層數(shù)選為1，樓層高度為樁的長(zhǎng)度+，開(kāi)間數(shù)為跨數(shù)，開(kāi)間為跨度。去掉約束的√，見(jiàn)圖2。
圖2
3）點(diǎn)擊【確定】,建立的幾何模型見(jiàn)圖3
圖3
4）選取幾何模型中所有的豎向桿件，點(diǎn)擊【編輯】→【分割框架】，彈出分割選擇框架編輯框，選擇【分割為】，輸入12，見(jiàn)圖4。將每個(gè)豎向桿件分為12節(jié)。
圖4
2材料
1）點(diǎn)擊【定義】→【材料】，彈出定義材料編輯框。見(jiàn)圖5。
圖5
2）點(diǎn)擊定義材料編輯框的【添加新材料】，進(jìn)入材料屬性數(shù)據(jù)編輯框，如圖6所示定義名為C35的混凝土材料。點(diǎn)擊【確定】定義完成，重復(fù)上述步驟定義C40混凝土材料。
圖6
3截面屬性
1）點(diǎn)擊【定義】→【框架截面】，彈出框架屬性編輯框，見(jiàn)圖7。
圖7
2）在編輯框右側(cè)文本框【選擇要添加屬性類型】中選擇Add Rectangular，然后點(diǎn)擊【添加新屬性】，進(jìn)入Rectangular Section編輯框，見(jiàn)圖8。定義承臺(tái)板（定義名稱為BAN）的截面屬性，材料對(duì)應(yīng)文本框選擇為C40，深度為板的厚度輸入0.8，寬度輸入8.8，點(diǎn)擊【確定】，完成定義。重復(fù)上步驟定義托梁（定義名稱為BEAM）的截面屬性，見(jiàn)圖9。
圖8
3）重復(fù)步驟1）在文本框【選擇要添加屬性類型】中選擇Add SD Section，點(diǎn)擊【添加新屬性】，進(jìn)入SD截面數(shù)據(jù)編輯框，如圖10所示�；静牧线x擇C35。點(diǎn)擊【截面設(shè)計(jì)器】，啟動(dòng)“CSISD”截面編輯器。點(diǎn)擊窗口左側(cè)快捷鍵Draw solid shape中的畫(huà)圓按鈕，畫(huà)兩個(gè)圓形，直徑為樁直徑，間距為樁橫向間距。然后直接關(guān)閉“CSISD”截面編輯器，截面屬性自動(dòng)保存。點(diǎn)擊【確定】，完成定義。
4）將定義的截面屬性指定給對(duì)應(yīng)的框架結(jié)構(gòu)。首先，選擇所有水平桿件。點(diǎn)擊菜單【指定】→【框架/索/筋】→【框架截面】，彈出框架屬性截面對(duì)話框，在屬性一欄里選擇BAN，點(diǎn)擊確定；選擇所有豎向桿件的與水平桿件相連接的第1節(jié)。重復(fù)上述過(guò)程，在屬性一欄選擇BEAM，點(diǎn)擊確定；選擇所有豎向桿件的第2節(jié)至第12節(jié)，重復(fù)上述過(guò)程，在屬性一欄選擇Pile，點(diǎn)擊確定。
通過(guò)設(shè)置顯示選項(xiàng)顯示可以3D截面效果圖：點(diǎn)擊快捷鍵 ，彈出激活窗口選項(xiàng)對(duì)話框，見(jiàn)圖10,在常規(guī)一列拉伸之前打√，點(diǎn)擊【確定】。點(diǎn)擊主菜單下方快捷鍵，顯示窗顯示3D效果圖見(jiàn)圖11。
圖11
圖12
4荷載工況和施加
1）定義靜力荷載工況
SAP2000中對(duì)于荷載工況的數(shù)目沒(méi)有限制，可以定義一個(gè)或多個(gè)荷載工況。若單獨(dú)查看某些荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形等，則可以將這些荷載單獨(dú)定義一個(gè)荷載工況。樁板結(jié)構(gòu)定義荷載工況時(shí)，可將所有恒載定義一個(gè)名為DEAD的荷載工況：點(diǎn)擊【定義】→【荷載工況】，彈出定義荷載對(duì)話框，見(jiàn)圖13，在對(duì)話框第一列荷載名稱輸入DEAD，第二列類型選擇DEAD（靜載）自重系數(shù)輸入1，點(diǎn)擊【添加新荷載】，定義完成。
圖13
重復(fù)上述過(guò)程，對(duì)列車(chē)活載、溫度荷載以及樁基差異沉降等對(duì)的應(yīng)每一個(gè)荷載定義一個(gè)荷載工況。定義的荷載名稱、類型及自重系數(shù)見(jiàn)表1。
表1定義荷載參數(shù)
2）施加恒載
在定義恒載工況時(shí)，自重乘數(shù)為1，軟件自動(dòng)考慮結(jié)構(gòu)自重，施加的恒載為軌道板自重、鋼軌扣件自重。
選取材料屬性為BAN的所有桿件，點(diǎn)擊【指定】→【框架/索/筋荷載】→【分布】，彈出框架分布荷載對(duì)話框，見(jiàn)圖13荷載工況名稱選為DEAD，在均布荷載對(duì)應(yīng)的文本框輸入33.85，點(diǎn)擊確定。
3）施加列車(chē)活載
由于列車(chē)活載的特殊性，施加列車(chē)活載之前首先要定義車(chē)道、車(chē)輛。
步驟1：定義車(chē)道，點(diǎn)擊【定義】→【橋梁荷載】→【車(chē)道】，彈出定義車(chē)道編輯框，點(diǎn)擊【從框架添加已定義的新車(chē)道】，進(jìn)入車(chē)道數(shù)據(jù)對(duì)話
圖14
圖15
框。車(chē)道名稱輸入LANE1，將所有水平桿件（承臺(tái)板）按桿件編號(hào)依次添加到車(chē)道之中，中心線偏移2.2（即線路中心線相對(duì)于承臺(tái)板中線便宜的距離），如圖14所示。重復(fù)上述過(guò)程定義LANE2，將所有水平桿件（承臺(tái)板）按桿件編號(hào)依次添加到車(chē)道之中，中心線偏移-2.2。
步驟2：定義車(chē)輛，點(diǎn)擊【定義】→【橋梁荷載】→【車(chē)輛】，彈出定義車(chē)輛編輯框,點(diǎn)擊【添加新車(chē)輛】，彈出一般車(chē)輛數(shù)據(jù)對(duì)話框，車(chē)輛名稱輸入GEN1，然后在荷載文本框添加如圖15所示7個(gè)荷載，定義好的zk活載圖式顯示在荷載立面的對(duì)象框里，點(diǎn)擊確定。
圖16
步驟3：定義車(chē)輛類別，【定義】→【橋梁荷載】→【車(chē)輛類別】，彈出定義車(chē)輛類別編輯框，點(diǎn)擊【添加新車(chē)輛類別】，彈出車(chē)輛類別數(shù)據(jù)對(duì)話框，車(chē)輛類別名稱輸入VECL1，將GEN1添加到定義車(chē)輛類別文本框中。
步驟4：定義列車(chē)活載分析工況，點(diǎn)擊【定義】→【分析工況】，彈出分析工況編輯框，在工況一列中選擇TrainLoad，點(diǎn)擊【修改顯示工況】彈出分析工況數(shù)據(jù)對(duì)話框，見(jiàn)圖17。分析工況類型在下拉菜單中選擇為Moving Load，將車(chē)輛類別VECL1添加為施加的荷載。將LANE1、LANE2添加為選擇的車(chē)道。
圖17
圖18
4）施加溫度荷載
用鼠標(biāo)在窗口選擇需要施加溫度荷載的桿件，編號(hào)依次為：桿件2、5、8。點(diǎn)擊【指定】→【框架/索/筋荷載】→【溫度】，彈出框架溫度荷載對(duì)話框（見(jiàn)圖19）。荷載工況選擇TT（拉伸溫度荷載），類型選擇溫度，溫度選擇通過(guò)單元，在溫度后面的文本框里輸入15，點(diǎn)擊確定完成；重復(fù)上述過(guò)程，荷載工況選擇ST（收縮溫度荷載），對(duì)應(yīng)通過(guò)單元的溫度后面的文本框里輸入-15，點(diǎn)擊確定完成；重復(fù)上述過(guò)程，荷載工況選擇PTG（正梯度溫度荷載），類型選擇3-3溫度梯度，對(duì)應(yīng)通過(guò)單元的溫度后面的文本框里輸入20，點(diǎn)擊確定完成；重復(fù)上述過(guò)程，荷載工況選擇NTG（負(fù)梯度溫度荷載），類型選擇3-3溫度梯度對(duì)應(yīng)通過(guò)單元的溫度后面的文本框里輸入-10，點(diǎn)擊確定完成。
圖19
5）施加不均勻沉降
用鼠標(biāo)在窗口選擇需要施加不均勻沉降的桿件端點(diǎn)（樁底點(diǎn)單元）。點(diǎn)擊【指定】→【節(jié)點(diǎn)荷載】→【位移】，彈出地面位移對(duì)話框，見(jiàn)圖20，荷載工況名稱選擇DSubside，在Translation GlobalZ對(duì)應(yīng)的文本框中輸入-0.005（mm），點(diǎn)擊確定。
圖20
至此，所有荷載工況施加完畢。
5特殊功能指定
1）節(jié)點(diǎn)約束（邊界條件）
用鼠標(biāo)在窗口選擇樁桿件端點(diǎn)（樁底點(diǎn)單元），點(diǎn)擊菜單【指定】→【節(jié)點(diǎn)】→【約束】，彈出節(jié)點(diǎn)約束對(duì)話框，如圖21所示，在1軸平移、2軸平移、3軸平移前打“√”，定義為鉸接，點(diǎn)擊【確定】。
圖21
2）土彈簧
采用定義土彈簧可在SAP2000中利用地基系數(shù)法（M法或K法）原理來(lái)考慮樁土相互作用：
模型中，可沿單樁樁體每米分割為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立節(jié)點(diǎn)彈簧，比較樁側(cè)土作用在樁上的水平抗力公式，其彈簧剛度Kz 計(jì)算如下：
M法：Kz=m*z* b0*103
K法：Kz=K * b0*103
式中 Kz——彈簧剛度/kN/m；
m——比例系數(shù)/ MN/m4；
K——地基系數(shù)/ MN/m3；
z——樁深/m。
①K法
K法定義相對(duì)簡(jiǎn)單，步驟如下：選擇所有豎向桿件節(jié)點(diǎn)→點(diǎn)擊菜單【指定】→【節(jié)點(diǎn)】→【彈簧】，彈出節(jié)點(diǎn)彈簧對(duì)話框，見(jiàn)圖22，在彈簧剛度對(duì)應(yīng)的Translation1和Translation2中分別填入Kz值46446。點(diǎn)擊【確定】，定義完成。
圖22
②M法
定義M法剛度時(shí)，因Kz跟樁深Z成線性關(guān)系，可求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Kz，然后逐個(gè)節(jié)點(diǎn)按K法進(jìn)行定義。但是這樣定義的話，如果存在成百個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義工作量相當(dāng)巨大。SAP2000提供了交互式數(shù)據(jù)庫(kù)編輯功能可以幫助我們輕松解決這個(gè)問(wèn)題。步驟如下：
按K法給每個(gè)節(jié)點(diǎn)加上彈簧→選擇某一根樁對(duì)應(yīng)的桿件的所有的節(jié)點(diǎn)→點(diǎn)擊菜單【編輯】→【交互式數(shù)據(jù)庫(kù)編輯】，彈出Choose Tables for Interactive Editing 對(duì)話框，見(jiàn)圖23；選擇【Joint Assignment】→【Table：Joint Spring Assignments】，點(diǎn)擊【OK】，彈出如圖24所示對(duì)話框。點(diǎn)擊對(duì)話框右下角的【To Excel】，彈出Excel表對(duì)話框，如圖25，這時(shí)某根樁的所有節(jié)點(diǎn)的彈簧剛度值全列在表里了。把計(jì)算好的Kz對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)粘貼到表格里。然后在圖24對(duì)話框中點(diǎn)擊【From Excel】。彈簧剛度數(shù)據(jù)即導(dǎo)入模型中。
圖23
圖24
圖25
6分析功能
1）點(diǎn)擊菜單【分析】→【運(yùn)行分析】，彈出設(shè)置運(yùn)行分析工況對(duì)話框，點(diǎn)擊【現(xiàn)在運(yùn)行】，運(yùn)行完畢之后，點(diǎn)擊【確定】。
2）點(diǎn)擊菜單【顯示】→【顯示力/應(yīng)力】→【框架/索/筋】，彈出框架的構(gòu)件受力圖對(duì)話框，如圖7.6-1所示。工況/組合名選擇TrainLoad，分量選擇彎矩3-3，點(diǎn)擊【確定】，顯示列車(chē)活載作用下樁板結(jié)構(gòu)的彎矩包絡(luò)圖。重復(fù)上述操作過(guò)程，分量選擇剪力2-2，顯示列車(chē)活載作用下剪力包絡(luò)圖。
圖26
同樣可以類似操作查看其他工況下的彎矩剪力圖，將最不利工況組合中各工況的彎矩剪力采用疊加原理進(jìn)行疊加計(jì)算，即可求得樁板結(jié)構(gòu)的的最不利彎矩剪力包絡(luò)圖。
