折叠条形基础的经济性及设计效果分析

可在www.sciencedirect.com上在线获取计算设计与工程学报4（2017）143www.elsevier.com/locate/jcde低成本建筑物Sayed Abdel Salam，Mahmoud Samir El-kady埃及Zagazig大学工程学院结构工程系接收日期：2016年2月13日;接收日期：2016年9月6日;接受日期：2016年9月9日2016年9月15日在线发布摘要获得经济和安全的结构设计被认为是结构工程师的先决条件近年来，国际上钢筋的市场价格因此，本文的目的不仅仅是减少骨架结构基础中的钢筋比例，而是通过选择最有效的基础形状（折叠条形基础）来最大限度地减少这一比例。折叠式基脚已被用作传统矩形条形基脚的替代方案。研究模型的高度为10层。在分析中使用了两种不同的基础系统，即矩形条形基础和折叠条形基础。这两种基脚形状将被设计为建筑物下网格形状的连续基脚。在相同荷载作用下，对两种体系的混凝土截面和配筋率进行了比较。有限元分析软件ADINA用于两种类型基础的结构和岩土性能的建模和分析，重点是改变基础形状对基础混凝土体和基础土壤中的应力的影响。研究结果给出了基础和土壤域的内部应力，以及接触压力分布的加强折叠条形基础搁置在不同的土壤类型。研究了褶皱倾角、土壤类型等因素对结果的影响。结果表明，折叠式条形基础在减少所需钢筋数量方面是有效的，而这种减少基础中所需钢筋的效率取决于所施加的基础荷载，并在一定程度上取决于土壤类型和性质。矩形和折叠式基脚类型之间的配筋率减少约26%，有利于折叠式条形基脚。经济比较表明，折板式基础的钢筋混凝土截面总造价比传统基础低18%左右。这两种基脚在成本上的差异，主要是由于折叠式基脚所需的钢筋比率较矩形基脚为少。因此，折叠条形基础比矩形条形基础更经济（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。关键词：ADINA;有限元;折叠条形基础;应力;沉降1. 介绍本文采用有限元程序ADINA对矩形和折叠条形基础的结构和岩土性能进行了数值研究。9.0（自动动态增量非线性分析）[6]。Abdel-Salam和Mashhour[1]提出了一项加固折叠条形基础的分析研究，并指出倾斜角（折叠）的最佳值等于201。Attia[3]提出了一个实验和数值研究折叠条形基础使用光弹性，实验技术和数值使用有限元法，由计算设计与工程学会负责进行同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2016.09.0022288-4300（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。研究考虑土-结构相互作用的折叠条形基础在竖向荷载作用下结果表明，随着地基倾角和地基土反力模量的增大，基础内正应力和基础下土体位移减小。文献[1，2，5]对折叠条形基础的分析和试验研究做了较多的介绍。EL-Kady[4]表明，半尺度实验模型给出了与本文所示结果大致相同的数值趋势。经济建设的主要目标是创建新的城市社区，以帮助将人口从狭窄的山谷迁移到无人居住的沙漠地区。这将有助于实现人口的优化分布，144S.A. Salam，M.S.El-kady/Journal of Computational Design and Engineering4（2017）143 1 9¼¼¼在各个城市和新的城市社区的发展支点。它还将通过使埃及的城市和人口图现代化，跟上世界的发展。由于城市和人口增长目前集中在仅占埃及总面积的5%。这项政策的目的是在不久的将来，通过降低建筑成本，在占埃及总面积约25%的地区重新分配人口。因此，本研究的主要优点是使用折叠条形基础作为替代基础系统，而不是传统的矩形条形基础：(1) 通过减少钢筋的比例来降低基础的成本。(2) 引入比传统矩形条形基础具有更高承载能力和更少土壤沉降的基础（最多10层）。(3) 对两种基础类型的成本进行比较经济研究。(4) 最小化或甚至消除折叠条形基脚中的张力区。(5) 由于实现了上述点，所需的钢筋比例将最小。2. 数值模型传统的矩形和折叠条形基础的行为进行了数值研究，使用有限元技术。基础材料为钢筋混凝土，采用弹性各向同性材料模型。混凝土弹性模量Ec1. 97 × 106 t/m2，泊松比m0. 16[7]。侧边界呈现为滚子，以允许在这些边缘处发生沉降，而不允许横向移动。然而，下边界的移动在两个方向上都受到限制。两种类型的基脚都承受代表10层楼板的垂直荷载。假定基础材料具有非线性性能，允许抗拉强度（st）为混凝土抗压强度sc的10%。通过参数分析，研究了不同模型参数对基础-地基相互作用的影响。所研究的参数包括三种不同的土壤类型，即，致密和中密砂，除了硬粘土。先前的研究[6]表明，与矩形基础相比，矩形条形基础折叠201会产生更好的性能。此外，出于实用目的，折叠条基脚角度选择为201，以便于基脚施工过程。为了说明建筑物中地板数量增加的影响，分别应用五种载荷情况来模拟建筑物地板，从两个到十个。这些载荷分别为300、600、900、1200和1500 kN。结果分析包括：折叠条形基脚、荷载位置、分析中使用的有限元国家安居工程建筑物的最大高度为10层。通过对两种体系的比较，得出了在最小截面数和最小配筋率下，相同的负载。基础下方的土壤采用Mohr-Coulomb土壤模型模拟，模型参数见表1。所研究的参数包括三种不同的土壤类型，即，致密和中密砂，除了硬粘土。3. 结果和讨论分析包括增加基础上施加的荷载对不同土壤类型的基础土壤最大垂直，水平应力和沉降文中还给出了矩形条形基础和折叠条形基础在土体中的竖向和水平应力分布混凝土基础内的应力也显示出压缩和拉伸区。这将在混凝土截面的施加力矩中显示。因此，两种基础的比较主要是在钢筋配筋率和钢筋混凝土用量方面。换句话说，每立方米混凝土的总成本3.1. 地基荷载增大对地基沉降的影响图2表明，对于中密和密砂土，增加施加的荷载导致矩形和折叠条形基础情况下的底层土壤沉降略有增加。较高的稳定增长的沉降计算在刚性粘土矩形和折叠基础的情况下。然而，图1.一、测试模型的有限元网格表1模型的土壤参数统一分类硬粘土中密砂密砂除了基脚钢的影响之外的先前参数配筋率等于最小可能配筋。折叠式基脚的深度与跨度比应保持不变，保持恒定在0.4[4]。 图图1显示了Es（MN/m2）10.050.0100.0温度（deg）0.034.038.0C（kN/m2）75.00.00.0泊松比（Poisson'sratio）0.450.300.20S.A. Salam，M.S. El-kady / Journal of Computational Design and Engineering 4（2017）1431 9145图二. 矩形和折叠条形基础下的土体沉降。图3.第三章。矩形和折叠条形基础下的竖向土应力在所有情况下，都注意到折叠和矩形条形基础，折叠条形基础的沉降值低于矩形基础。这主要是由于除了土壤类型外，基脚底部形状对基脚3.2. 地基荷载增大对土体竖向应力的影响所施加的荷载是由两层至十层楼板组成的建筑物的典型值，分别以两层楼板为增量。图3显示了所有研究案例中两种基础类型下的最大计算土壤应力。该图表明，对于不同土壤类型的矩形和折叠条形基础，增加施加的压力会导致底层土壤应力显著增加。在所有土壤类型下的最大应力水平折叠条形基础明显低于那些矩形的，特别是在较高的应力水平。在相同荷载下，计算得到的折叠条形基础下的最大竖向土应力约为常规矩形条形基础下的三分之二。此外，矩形条形基础中由于应力水平的增加而引起的土体应力的增加率明显高于折叠条形基础，从而保证了折叠条形基础在降低其下方土体应力方面的有效性。对于传统的矩形条形基础，人们注意到刚性粘土中的应力高于中密砂和密砂。3.3. 土壤范围图4a和b显示了矩形和矩形下土壤区域内沉降等高线阴影的分布，折叠条形基脚，放大10倍。两种情况下的沉降值和分布几乎相同，折叠条形基础下的沉降值略低。3.4. 基础内的侧向应力分布基脚区域内的侧向应力分布如图5a和b所示。这两种类型的基础的横截面显示的拉应力和压应力的峰值，在基础体的情况下，密实的砂土。值得注意的是，最大张力发生在主基础钢筋的位置。再一次，计算的钢筋拉应力的情况下，折叠条形基础约为60%的矩形的，这表明需要更少的钢筋数量。此外，在不同的土壤类型，折叠条形基础的混凝土压应力也约为传统的矩形基础所遇到的三分之二。因此，可以进行更经济的混凝土配合比设计或甚至更少的混凝土截面，以考虑所需混凝土抗压强度的降低。3.5. 土壤和基脚区域图6a和b显示了土壤和基脚区域内垂直土壤应力阴影等值线的分布。最大计算压应力和拉应力发生在混凝土基础内。然而，在折叠条形基础的情况下，纵向钢筋中的张力集中在这种钢筋的中间区域。在基脚的倾斜部分，张力明显减小。此外，更低的压缩146S.A. Salam，M.S.El-kady/Journal of Computational Design and Engineering4（2017）143 1 9图四、土壤域中的沉降遮荫分布（a）矩形条形基础。（b）折叠条形基础。图五、基础区域的侧向应力分布（a）在密砂中的矩形基脚（b）在密集的沙中的折叠式基脚S.A. Salam，M.S. El-kady / Journal of Computational Design and Engineering 4（2017）1431 9147图六、土域竖向土应力分布（a）矩形条形基础。（b）折叠条形基础。与矩形基础相比，折叠条形基础受压区的应力更大。这通过需要更少的混凝土抗压强度来确保折叠形状相对于矩形形状的有效性。3.6. 折叠形状对拉紧动作的影响图7显示了增加基础荷载值对计算弯矩（B.M.）的影响。用于矩形和折叠条形基础，其位于不同类型的土壤上。从该图中可以看出，增加载荷增量会增加临界秒处的弯矩。（1-1）。图7还表明，对于两种类型的基脚和所有类型的土壤，弯矩值不受较低荷载增量的影响。另一方面，折叠条形基础的弯矩比普通条形基础的弯矩减少约40与传统的一个在较高水平的负载和所有土壤类型，表明需要较低数量的钢筋。此外，在密砂中，计算出的基础弯矩最低，其次是中密砂，最后是硬粘土。钢筋混凝土基础内的应力和相关弯矩值（由ADINA软件计算）用于计算矩形和折叠条形基础所需的钢筋。在这种情况下，基脚上的垂直施加荷载等于1500 kN，代表十层楼的建筑荷载，这被认为是国家住房项目中骨架结构的最高适用荷载。传统矩形条形基础的最大拉应力达到3.40MN/m2，而折叠条形基础的最大拉应力仅为1.96MN/m2148S.A. Salam，M.S.El-kady/Journal of Computational Design and Engineering4（2017）143 1 9图7.第一次会议。矩形和折叠条形基础下的弯矩值图8.第八条。基脚总成本下降的百分比基脚，这表明了折叠基脚在减少拉应力方面的有效性，从而减少了所需钢筋的比例。另一方面，最大矩形条形基脚的钢筋比率约为58 kg/m3，而折叠条形基脚的钢筋比率约为43 kg/m3。因此，两种基础的配筋率降低约26%，有利于折叠条形基础。上述百分比以每立方米钢筋混凝土的市场价格表示，用于这两种类型的基脚。这两种地基的价格差异主要是由于两个原因：第一，与传统类型相比，折叠型所需的第二，每立方米钢筋混凝土折条形基础的价格约为77%，其价格为矩形。这是由于减少钢筋率折叠条形基础相比，矩形的。图8显示了所研究的建筑物的地板数量与每立方米两种类型基脚的总成本降低百分比之间的关系。该图显示了折叠条形基础相对于矩形基础的递减率。对于较小的高度（最多六个地板），与较大的高度（最多十个地板）相比，基脚的总成本略有下降。这种减少是由于混凝土截面较小，以及矩形基础上折叠条形基础中钢筋比率的4. 结论本文对不同土质条件下的折叠条形基础和传统的连续矩形条形基础进行了数值模拟和经济性研究。本文的主要目的是突出的有效性折叠条形基础的矩形。这表现在两种基脚的铸造总费用减少。根据本文件的结果，可以得出以下结论：(1) 一般情况下，混凝土折叠条形基础内的拉应力和压应力约为矩形条形基础在两个方向上的三分之二。(2) 折叠条形基础优于矩形基础的有效性不仅体现在基础的主要短方向上，而且体现在次要长方向上，其中仅在折叠条形基础的较低直线部分中最需要加强件，同时大大降低了基础折叠部分中的钢拉应力(3) 折叠条形基础比传统条形基础在所需钢筋数量上更有效，在连续矩形条形基础的最大弯矩为255 kN m，而折叠条形基础情况下计算的最大弯矩降低到135 kN m，表明折叠条形基础对降低诱导弯矩的影响。因此，折叠条形基础只需要9cm2的钢筋，而在相同的荷载和土壤条件下，传统的条形基础需要14 cm2。总覆盖所产生的拉伸应力。此外，在折叠条形基础中还注意到较低的混凝土压应力。(4) 当竖向静荷载增大到峰值时，刚性粘土中折叠式条形基础与传统条形基础相比，接触压力最大值降低约38%，密实砂土中折叠式条形基础与传统条形基础相比，接触压力最大值降低S.A. Salam，M.S. El-kady / Journal of Computational Design and Engineering 4（2017）1431 9149(5) 在计算沉降之间的情况下的折叠条形基础和常规的略有差异。(6) 两种基础的配筋率降低约26%，有利于折叠条形基础。而在10个柱基的情况下，折叠条形基础的混凝土总成本比矩形基础低18%左右。因此，折叠形基础比普通矩形条形基础更经济引用[1] Abdel Salam S，Mashhour M.基础尺寸对条形基础接触压力和内应力的影响。J. Egypt Soc. Eng. 1985; 24（1）.[2] 阿卜杜勒·萨拉姆条形基础切片的应力分析。结构工程部，开罗大学;1979年。[3] G.张文龙，“带式基础的试验与数值分析”，第八届阿拉伯结构工程会议论文集，开罗，埃及，V。3，2000，pp.1063-1074年。[4] EL-Kady MS.折叠条形基础的性能博士论文结构工程部，ZagazigUniversity;2012.[5] M. Mashhour，S.张文，梁文胜[6] 阿迪纳河&D、股份有限公司、自动动态增量非线性分析，2008年。[7] 埃及R.C.实践和设计规范结构，埃及住房和建筑国家研究中心，ECP203，埃及开罗，2007年。