基于SAP84软件的地下结构稳定分析

邢健 陈小小

SAP84作为以有限元分析为基础的结构分析软件，在地下结构分析方面具有强大的功能。本文基于SAP84软件的PlanIn模块，建立北京市某蓄滞洪区地下强排泵站结构模型，对其进行内力分析计算，并选取最不利工况进行结构配筋计算，计算结果可为工程设计提供依据。

SAP84作为多行业通用的有限元分析软件，适用于土建、水利、电力等广泛工程部门大型复杂结构的静力和动力分析，尤其适用于大型、特种、复杂、具有不规则结构形式的土建结构，具有一般专用软件所达不到的计算能力。SAP84PlanIn模块能够处理平面框架、桁架、钢架、平面应力和平面应变问题，本文利用SAP84PlanIn模块，经过参数设置、坐标设置、结构生成、施加结构荷载，建立荷载工况，设置荷载组合、设置结构约束等环节，建立地下强排泵站结构剖面模型，经分析计算得到结构内力、弯矩，选取最不利工况进行结构配筋计算。

一、工程实例概况

北京市某蓄滞洪区，地面高程48.00m，蓄滞洪区底高程27.20m，由于地势限制，需设置强排泵站排除蓄滞洪区内积水。强排泵站采用地下结构，泵站顶板高程48.00m，平地面高程，底板高程26.20m，正常运行水位30.20m，最高运行水位47.00m。强排泵站布置一座阀井（干井）和一座湿井，两座井间采用中墙隔开。阀井（干井）净空尺寸3.6×8.4m（顺水流方向长度×垂直水流方向长度）。湿井净空尺寸8×8.4m（顺水流方向长度×垂直水流方向长度）。井深21.8m。阀井采用倒挂井壁法施工，外部采用格栅钢架锚喷结构。井室结构采用C35W8F150钢筋混凝土结构，边墙厚1.0m，中隔墙及底板厚1m，顶板及中板厚0.3m。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。

二、模型建立

选择SAP84的PlanIn模块建立结构断面模型。设置完成单位（采用国际单位）、材料（C35砼）、截面（边墙、中墙、底板、顶板、中板）等基础参数，“选项设置”中勾选考虑材料自重选项。将结构简化看做2格深水池，采用绝对坐标生成点输入节点，输入每个墙、板节点及交点，生成墙、板等截面，并为截面赋予对应参数。

三、施加荷载

井结构为二衬井，本文按井壁承担80%荷载计算结构内力。结构主要受力为自重、土压力、外水压力、内水压力、浮托力、活载影响。结构计算简图见图1。

材料参数：土体饱和容重取19.8 kN/m3，土体浮容重9.8kN/m3，填土内摩擦角30°；水天然容重取10 kN/m3,钢筋混凝土容重25.0 kN/m3。地面均布荷载取10kN/m2，地面均布压力产生的侧压力值3.3 kN/m2。

图1 结构计算简图

根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》，本次计算采用三种工况：

（1）承载能力极限状态

工况一：基本组合，考虑工程完建，内部无水，地下水28.0m，承载力安全系数1.15。

工况二：偶然组合，洪水期，湿井内水位47.0m，地下水47.0m，承载力安全系数1.0。

（2）正常使用极限状态

工况三：正常运行水位30.2m，地下水28.0m，分项系数均取1。承载力安全系数1.15。

根据各工况计算荷载，并施加于结构，建立荷载工况，设置荷载组合，组合系数取承载力安全系数。

四、施加约束

施加结构约束条件。对结构底板及墙体各节点布置接地弹簧，选择只能受压，不计土体与结构间粘结力，弹簧受压时产生的反力即为土体对结构的弹性抗力，且正常使用期间不计形变压力。本文弹簧刚度取40000kN/m。

五、计算结果

表1 各部位工况荷载组合最大内力成果

表2 配筋结果表

1.内力计算结果

模型及荷载等参数均完成后，经检查无误进行内力分析计算，计算结果如下所示。

各种工况计算最大内力见表1。

表1中所示均为乘以安全系数后内力结果，边墙、底板、顶板、中板均由工况一控制，中墙由工况二控制。选取各部位最不利工况进行配筋计算。

2.配筋计算

结构长期处于地下环境，按环境类别属二类，根据规范，底板、边墙、中墙保护层取40mm，顶板、中板保护层取30mm。最大裂缝宽度极限值取0.3mm。

通过内力计算结果可知，结构是一个在弯、剪共同作用下的构件，根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》，按正截面受弯、斜截面抗剪计算承载力。弯剪计算配筋。为安全考虑，同时按偏心受压和轴心受压计算，取较大配筋面积作为设计值。计算成果见表2。

六、结语

（1）应用SAP84PlanIn模块建立地下结构模型，界面操作简单直观，预先准备好需要的各种荷载、工况组合、安全系数等数据，分别输入至模型，即可进行计算。计算成果合理可靠，为设计提供数据支撑。

（2）SAP84软件PlanIn模块模型建立及荷载添加具有一定的局限性，对复杂结构须进行简化处理，同时施加复杂荷载也需进行保守的合并简化，可能会导致计算结果存在偏差，需对结果进行复核验证。

（3）SAP84软件中配筋成果对水利行业不可直接采用，需在内力计算成果基础上，采用其他软件或手动计算结构配筋及裂缝验算。