（计算机应用技术专业论文）pkpm软件中复合地基优化设计的应用研究.pdf

摘要 p k p m 是计算机辅助设计( o ) 技术应用在建筑结构设计领域中的杰出 成果。p k p m 使得结构设计人员从繁重的绘图和计算工作中得以解脱，使工作准 确而高效。复合地基技术是目前土木工程界的热点，大量的工程实例证明，相 比桩基础而言，合理的复合地基设计能够在满足上部建筑结构承载特性的同时 大幅度的降低工程成本。 基于p k p mc a d 模型的复合地基优化设计本质上是对p k p mc a d 的二次 开发。优化设计系统在p k p m 建立的真实建筑模型的海量数据中自动提取所需 要的建筑几何和荷载信息。 基于承载力控制和基于沉降控制的复合地基优化设计是复合地基优化设计 两种主要思路。按沉降控制理论是复合地基优化设计重要思想。 在本系统中采用了当前普遍使用的沉降控制优化设计方法，即在承载力满 足要求的前提下，沉降量必须控制在设定的范围内。因此，沉降量的控制是本 优化系统的核心内容。 复合地基沉降分为两个部分，加固层沉降和下卧层沉降。本系统中分别采 用复合模量法和分层总和法。 系统是在v c + + 下开发完成的。系统模块主要有数据准备，系统参数设置， 地质信息资料管理，桩资料信息管理，承载力和沉降计算，桩体输出和桩体编 辑等模块。开发过程采用了面向对象( 0 0 p ) 的设计方法，将土层，桩体以及 复合地基等实体抽象为相应的类，体现了o o p 编程代码可重用性。 系统根据所输入的桩资料和地质资料结合从p k p m 模型中提取的数据，自 动生成优化的复合地基设计结果。系统具有很好的健壮性，设计结果准确，实 用。 关键字：p k p m ，复合地基，沉降控制，v c a b s t r a c t p k p mi sap r o d u c to ft h ea p p l i c a t i o no fc a di nt h ef i e l do fa r c h i t e c t u r e s t r u c t u r e i tc a nt a k es t r u c t u r ed e s i g n e r sf r o mt h eh e a v yd r a w i n ga n dc o m p u t i n gw o r k w i t ht h ep r e m i s eo fe f f i c i e n c ya n da c c u r a c y c u r r e n t l y , c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni st h e h o tt e c h n o l o g yi nc i v i l e n g i n e e r i n g c o m p a r e dw i t hp i l ef o u n d a t i o n , p r o p e r l y d e s i g n e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw i l ll a r g e l yr e d u c et h ec o s t ，w h i c hh a sb e e np r o v e d i nl o t so fc i v i le n g e e d n gp r o j e c t s n e o p t i m i z a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g nb a s e do i lp k p mm o d e l si s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to np k p m s y s t e mw i l le x t r a c tt h el o a da n dg e o m e t r yd a t a f r o mt h ef i l eo ft h ep k p mm o d e l s b e a r i n gc o n t r o la n ds e t t l e m e n tc o n t r o la r et w od i f f e r e n tw a y s i no p t i m i z a t i o no f c o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g n s e t t l e m e n tc o n t r o li su s e di n t h i ss y s t e m n a m e l y , t h e d e s i g ni sf o c u s e do nt h e s e t t l e m e n ta n dt h es e r l e m e n tm u s tn o to u tt h er a n g ew es e t w h e nt h eb e a r i n gi ss a t i s f i e d s e t t l e m e n tc o n t r o li st h em o s ti m p o r t a n tt h e o r yi n o p t i m i z a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g n t h et o t a ls e t t l e m e n ti sc o m p r i s e do ft w om a i n l yp a r t s ，o n ei st h es e t t l e m e n to f t h er e i n f o r c e dl a y e ra n dt h eo t h e ri st h es e t t l e m e n to fu n d e r l y i n gs o f tl a y e r c o m p o s i t e m o d u l u sa n d l a y e r - s u m m a t i o na r ea p p l i e dt oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n t sr e s p e c t i v e l y s y s t e mi sd e v e l o p e db yv c + + t h e r ea r es e v e n m a i nm o d u l e s ：d a t ap r e p a r a t i o n p a r a m e t e r ss e t t i n g s ，g e o l o g i ci n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，p i l ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ， b e a r i n ga n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i n g , g r a p h i c so u t p u ta n dg r a p h i c s e d i tm o d u l e s o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gi sa d o p t e dw h e nc o d e i n g c l a s s e sa r ee x t r c t e df r o m t h er e a lw o r l do b j e c t s ，s u c ha se a r t hl a y e r s ，p i l e sa n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，e t c t h e c o d i n gs t y l ei sc o d er e u s e s y s t e mw i l lg i v et h eo p t i m i z a t i o no fc o m p o s i t ef o u n d a t i o nd e s i g nb a s e do nt h e e a r t hl a y e rd a t a ，p i l ed a t aa n dt h el o a da n dg e o m e t r yd a t af r o mt h ep k p mm o d e lf i l e s t h es y s t e mi sr o b u s ta n dt h er e s u l ti sa c c u r a t ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：p k p m ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s e t t l e m e n tc o n t r o l ，v c 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：f 她同期：坐彳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：经作者同意学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：厚递导师签名 理咋同期： o t 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 c a d 即计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，其概念和内涵正在不断 地发展中。1 9 7 2 年1 0 月，国际信息处理联合会( i f i p ) 在荷兰召开的“关于 c a d 原理的工作会议”上给出如下定义：c a d 是一种技术，其中人与计算机结合 为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并 为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。c a d 是工程技术人员以计算机为工 具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。 根据模型的不同，c a d 系统一般分为二维c a d 和三维c a d 系统。二维c a d 系 统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本”等几何元 素的集合，系统内表达的任何设计都变成了几何图形，所依赖的数学模型是几 何模型，系统记录了这些图素的几何特征。二维c a d 系统一般由图形的输入与 编辑、硬件接口、数据接口和二次开发工具等几部分组成。 在实际的工程中，使用c a d 绘图有以下诸多突出的优点：劳动强度低，图 面清洁、设计成果可以重复利用、设计精度高、设计成果保存便利以及二次开 发功能强大，可扩展性能强大等。 建筑结构设计c a d 是计算机辅助设计( c a d ) 应用的一个重要的分支。c a d 在建筑结构设计中越来越扮演着更加重要的角色，它给结构设计人员带来了极 大的便利，不仅使我们从繁琐的手工计算、爬图板中解放出来，也使结构设计 变得快速准确，大大缩短了设计工期，提高了工作效率。 p k p m 系列建筑结构设计分析c a d 是中国建筑科学研究院研发的建筑结构设 计软件，包括建筑、结构、特种结构、设备、概预算五个方面的内容。是目前国 内建筑工程应用最广泛的软件之一。p k p m 系列软件除自身具有很强的前、后处 理图形的能力外，还允许与专业绘图软件a u t o c a d 相对接，使该系列软件更合 理、严格，为符合专业习惯的编辑提供方便。 1 1常用建筑结构设计q 如 提到c a d 软件，设计人员首先想到的便是a u t o c a d ，它是由美国a u t o d e s k 公 司开发的，它是最基本、也是最常用的通用c a d 平台软件。a u t o c a d 广泛应用于 几乎所有跟绘图有关的行业，比如工程建筑、机械、电子、天文、物理、化工等。 a u t o c a d 的功能包括：绘制及修改二维和三维图形、标注尺寸：用绘图机和打印 机输出图形：嵌有a u t o li s p 语言和o b j e c t a r x 环境，可编程实现分析计算和参 武汉理工大学硕士学位论文 数化绘图，为a u t o c a d 的二次开发提供支持：它还提供了多种定制工具，方便用 户按自己的需要开发新的菜单、工具条、应用程序和文件，使软件用户化：它也 可以通过各种标准的图形和图像格式文件与其他软件交换图形数据信息：此外 还可以与外部数据库连接，实现对外部数据库的操作。经过多年的设计实践，c a d 技术以简单、快捷、存储方便等优点已在工程设计中承担着不可替代的重要作 用。 我国相当多的设计或制造行业单位选用通用c a d 软件平台加专业的二次开 发软件的模式，平台主要是a u t o c a d 。如在a u t o c a d 基础上开发的天正t a r c h 系 列建筑设计c a d ，浩辰建筑软件等。在通用c a d 平台开发上，我国也有诸如浩辰、 中望公司等通过加入国际c a d 联盟i t c 组织并引进c a d 平台软件核心技术开发 出浩辰i c a d ，中望z w c a d 等与a u t o c a d 相互兼容的平台产品。 1 1 1 天正t a r c h 系列 天正建筑c a d 是天正公司从1 9 9 4 年开始就在a u t o c a d 图形平台开发了一系 列建筑、暖通、电气等专业软件。天正建筑t h r c h 6 基于a u t o c a d 2 0 0 0 2 0 0 4 。 a u t o c a d 绘图是平台、是基础( 必须要安装的) ，天正相当于a u t o c a d 的插件。 1 1 2 浩辰ic a d 北京浩辰思达科技发展有限公司从1 9 9 3 年开始基于a u t o c a d 平台的研发工 作，并推出了包括建筑在内各类专业的二次开发软件并通过引进国际c a d 联 盟i t c 的c a d 核心技术开发出与a u t o c a d 相互兼容的通用c a d 平台i c a d ，浩辰 公司在i c a d 平台上开发出浩辰建筑l j z 2 0 0 3 i 等专业c a d 软件。 1 1 3 软件p k p mc a d 系列 软件p k p mc a d 系列件包括建筑、结构、特种结构、设备、概预算五个方面 的内容。应用范围全面，功能强大，自动化程度高，是众多建筑设计软件中最权威 的设计软件之一。其中尤以结构设计软件最受设计人员的青睐，成为结构设计人 员不可或缺的重要工具。p k p m 结构设计软件还包括许多应用软件，最常用的有 p k 、p m c a d 、t a t 、s a t w e 和j c c a d 等。是独立于a u t o c a d 的系列c a d 系统。 1 1 4c a d 二次开发技术介绍 a u t o c a d 具有开放的体系结构，允许用户和开发者采用高级编程语言对其进 行扩充和修改，即二次开发，能最大限度地满足用户的特殊要求。目前c a d 二 次开发狭义上是指借助于a u t o c a d 提供的各种软件开发包( s d k ) 来进行的再开 2 武汉理工大学硕士学位论文 发。其二次开发语言及工具主要有： 1 a u t o l i s p a u t o l i s p 的全名是l i s tp r o c e s s i n gl a n g u a g e ，它出现于1 9 8 5 年推出的 a u t o c a dr 2 1 8 中，是一种嵌入在a u t o c a d 内部的编程语言，是l i s p 原版的一 个子集，她一直是低版本a u t o c a d 的首选编程语言。它是一种表处理语言，是 被解释执行的，任何一个语句键入后就能马上执行，它对于交互式的程序开发 非常方便。其缺点是继承了l i s p 语言的编程规则而导致繁多的括号。 2 a d s a d s 的全名是a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ，它是a u t o c a d 的c 语言开发 系统，a d s 本质上是一组可以用c 语言编写a u t o c a d 应用程序的头文件和目标库， 它直接利用用户熟悉的各种流行的c 语言编译器，将应用程序编译成可执行的 文件在a u t o c a d 环境下运行，这种可以在a u t o c a d 环境中直接运行的可执行文 件叫做a d s 应用程序。a d s 由于其速度快，又采用结构化的编程体系，因而很适 合于高强度的数据处理，如二次开发的机械设计c a d 、工程分析c a d 、建筑结构 c a d 、土木工程c a d 、化学工程c a d 、电气工程c a d 等。 3 o b j e c t a r x o b j e c t a r x 是一种崭新的开发a u t o c a d 应用程序的工具，它以c + + 为编程语 言，采用先进的面向对象的编程原理，提供可与a u t o c a d 直接交互的开发环境， 能使用户方便快捷地开发出高效简洁的a u t o c a d 应用程序。o b j e c t a r x 并没有包 含在a u t o c a d 中，可在a u t o d e s k 公司网站中去下载，其最新版本是o b j e c t a r x f o r a u t o c a d2 0 0 0 ，它能够对a u t o c a d 的所有事务进行完整的、先进的、面向对象 的设计与开发，并且开发的应用程序速度更快、集成度更高、稳定性更强。 o b j e c t a r x 从本质上讲，是一种特定的c + + 编程环境，她包括一组动态链接库 ( d l l ) ，这些库与a u t o c a d 在同一地址空问运行并能直接利用a u t o c a d 核心数 据结构和代码，库中包含一组通用工具，使得二次开发者可以充分利用a u t o c a d 的开放结构，直接访问a u t o c a d 数据库结构、图形系统以及c a d 几何造型核心， 以便能在运行期间实时扩展a u t o c a d 的功能，创建能全面享受a u t o c a d 固有命 令的新命令。o b j e c t a r x 的核心是两组关键的a p i ，即a c d b ( a u t o c a d 数据库) 和 a c e d ( a u t o c a d 编译器) ，另外还有其它的一些重要库组件，如a c h x ( a u t o c a d 实 时扩展) 、a c g i ( a u t o c a d 图形接口) 、a c g e ( a u t o c a d 几何库) 、a d s r x ( a u t o c a d 开 发系统实时扩展) 。o b j e c t a r x 还可以按需要加载应用程序；使用o b j e c t a r x 进 行应用开发还可以在同一水平上与w i n d o w s 系统集成，并与其它w i n d o w s 应用 程序实现交互操作。 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 v i s u a l l i s p v i s u a l l i s p 已经被完整地集成到a u t o c a d2 0 0 0 中，她为开发者提供了崭新 的、增强的集成开发环境，一改过去在a u t o c a d 中内嵌a t u o l i s p 运行引擎的机 制，这样开发者可以直接使用a u t o c a d 中的对象和反应器，进行更底层的开发。 其特点为自身是a u t o c a d2 0 0 0 中默认的代码编辑工具；用它开发a u t o l i s p 程 序的时间被大大地缩短，原始代码能被保密，以防盗版和被更改；能帮助大家 使用a c t i v e x 对象及其事件；使用了流行的有色代码编辑器和完善的调试工具， 使大家很容易创建和分析l i s p 程序的运行情况。在v i s u a l l i s p 中新增了一些 函数：如基于a u t o l i s p 的a c t i v e x c o m 自动化操作接口；用于执行基于a u t o c a d 内部事件的l i s p 程序的对象反应器；新增了能够对操作系统文件进行操作的函 数。 5 v b a v b a 即m i c r o s o f to f f i c e 中的v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ，它被集 成到a u t o c a d2 0 0 0 中。v b a 为开发者提供了一种新的选择，也为用户访问a u t o c a d 2 0 0 0 中丰富的技术框架打开一条新的通道。v b a 和a u t o c a d2 0 0 0 中强大的 a c t i v e x 自动化对象模型的结合，代表了一种新型的定制a u t o c a d 的模式构架。 通过v b a ，我们可以操作a u t o c a d ，控制a c t i v e x 和其它一些应用程序，使之相 互之间发生互易活动。 二次开发出来的产品一般作为a u t o c a d 的插件配合已安装的a u t o c a d 使用。 而很多其他的c a d 系统并为专门提供二次开发用的s d k ，特别是目前国内自主研 发的独立c a d 系统几乎没有提供专门的二次开发用的s d k ，这一定程度上限制了 c a d 的应用范围和普及程度。没有提供相应的二次开发s d k 必然会在一定程度上 限制c a d 系统二次开发的灵活性和开发效率，但并不意味着不能进行再开发。 广义上讲，为了补充已有的c a d 系统功能而进行的再次开发行为都可以称 为c a d 的二次开发。 本文研究设计的基于p k p m 的复合地基优化设计系统便是在p k p m 基础上进 行了再开发。由于p k p m 系列建筑结构设计c a d 没有如a u t o c a d 那样提供诸多可 供二次开发的函数库、接口，对其进行二次开发只能基于阅读p k p m 建立的真实 模型的各种荷载、几何数据并结合复合地基相关理论进行研究开发。 1 2 复合地基优化设计及课题意义 p k 蹦系列建筑结构c a d 以其在结构设计方面的专业性，实用性以及易用性 成就了其在国内建筑结构设计领域的良好声誉。但对于复合地基设计这项当前 4 武汉理工大学硕士学位论文 非常的热门的建筑设计内容却没有涉及，不能不说是该系列c a d 的美中不足。 设计开发一套在p m c a d 基础之上，根据由p m c a d 设计的真实建筑模型自动 提取建筑物的荷载和几何信息的智能c a d 系统将有效地配合p k p m 系列建筑c a d 系统，使之成为一套更完整的建筑设计c a d 系统。在一定程度上提高p k p m 系列 建筑c a d 系统的实用性。 1 3 论文研究的主要内容 本文研究的主要内容是在w i n d o w s 环境下基于v i s u a lc + + m f c 平台对p k p m 系列建筑设计c a d 系统的设计结果进行二次开发。 在整体开发过程初期，即需求分析阶段采用u m l 统一建模语言对系统类结 构及对象行为等进行分析建模。开发过程中全面采用面向对象技术将系统开发 中遇到的各种实体对象抽象为c + + 类。开发遵循现代软件工程学的要求，采用快 速原型设计模式，首先完成具有一些基本功能的初步版本，然后不断在此基础 上进行扩充和完善。 全文是这样组织的：第一章介绍了c a d ( 计算机辅助设计) 的概念和特点并 进一步介绍了几种常用的建筑结构c a d ，在此基础上介绍了c a d 二次开发的相关 概念；在第一章最后部分着重阐述了全文课题p k p m 复合地基优化设计的现 实意义。第二章全面介绍了建筑设计领域使用广泛的专业c a d 一- p k p m 系列建 筑设计c a d ，对该系列c a d 中的几个主要c a d 逐个进行了介绍。第三章介绍了复 合地基相关理论。针对系统开发的基础，复合地基承载力和沉降计算进行了深 入的讨论。第四章介绍了系统的各个模块组成，并详细地阐述了系统设计开发 过程。本章是全文的核心部分。第五章也是全文的结束部分，对全文所做的研 究和开发工作做出了总结和提出了课题需要进一步研究的一些问题。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章结构设计分析软件p k p m c a d 系列 由中国建筑科学研究院p k p mc a d 工程部开发的p k p m 系列软件是目前国内 建筑工程应用最广泛的软件之一。该系列软件具有良好的工作界面，通过人机 交互，引导用户建立结构计算模型、输入和导算荷载，并根据不同的结构体系， 选用不同的计算模型，对结构进行三维空间分析计算，最后可以输出结构施工 图。p k p m 系列软件包括建筑结构，给排水，采暖通风，电气等系列c a d 。建筑 结构c a d 包括平面计算机辅助设计软件p m c a d ，钢筋混凝土框架、排架及连续梁 结构计算与施工图绘制软件p k ，多层及高层建筑结构三维分析及设计软件t a t ( 薄壁柱模型) ，多层及高层建筑结构空间有限元分析及设计软件s a t w e ( 墙元 模型) ，独基、条基、钢筋混凝土地基梁、桩基础和筏板基础设计软件j c c a d 。 2 1p m 软件 p m c a d 是p k p m 系列软件的核心模块，是建筑与结构连接的接口软件，也是 结构平面设计软件。它采用人机交互方式，引导设计人员逐层地布置各层平面和 各层楼面，再输入层高，就建立起一套描述建筑物整体结构的数据。其运行过程 实际上就是为结构计算建立模型的过程。p m c a d 具有较强的荷载统计和传导计算 功能，除可计算结构自重外，还可自动完成从楼板到次梁，从次梁到主梁，从主梁 到承重柱墙，再从上部结构传到基础的全部计算，加上局部的外加荷载，可方便 地建立整栋建筑的荷载数据。由于建立了整栋建筑的数据结构，p m c a d 成为p k p m 系列结构设计各软件的核心，为各功能设计提供数据接口。有了p m c a d 建立好的 模型和数据结构，结构计算，计算机绘图，则由p k 、t a t 、s a t w e 来完成。 p m c a d 基本功能：人机交互建立全楼结构模型；自动导算荷载，建立恒、活 载库；为各种计算模型提供计算所需的数据文件：为上部结构各绘图c a d 模块 提供结构构件的精确尺寸：为基础设计c a d 模块提供底层结构布置与轴线网格 布置，还可提供上部结构传递下来的恒活载：提供现浇钢筋混凝土楼板结构计 算与配筋设计；进行结构平面施工图辅助设计；作砖混结构圈梁布置，画砖混 圈梁大样及构造柱大样图：砌体结构和底框上砖房结构的抗震计算及受压、高 厚比、局部承压计算；统计结构工程量，以表格形式输出。 2 2p k 软件 如果要作一个框架、排架或连续梁的计算和绘图，p k 需要准备两个数据文 6 武汉理工大学硕士学位论文 件，即结构计算所需数据文件和绘图补充数据文件，并进行三步操作。一是计算 模型的输入；二是结构计算；三是施工图设计。第一步操作提供了结构模型的 主要信息源，第三步操作时还需要补充输入绘施工图需要的相关信息。 2 3t a t 软件 t a t 是一个三维空间分析程序，采用空间杆系计算柱梁等杆件，薄壁柱原理 计算剪力墙。可用来计算高层和多层的框架、框架剪力墙和剪力墙结构，适 用于平面和立面体型复杂的结构形式，完成建筑结构在恒、活、风、地震作用下 的内力计算和地震作用计算，完成荷载效应组合，并对钢筋混凝土结构完成截面 配筋计算，对钢结构进行强度稳定的验算。t a t 还可完成多、高层钢结构或钢筋 混凝土混合结构的计算，程序对水平支撑、斜支撑、斜柱等均作了考虑。t a t 善 于处理高层建筑中多塔、错层等特种结构，其中包括大底盘上部高塔、或上部或 中部连接下部多塔情况，对多塔、错层信息的判断处理是程序根据建筑模型智能 地自动生成的。 2 4s a - i w e 软件 s a t w e 是应现代多、高层建筑发展要求专门为高层结构分析与设计而研制的 空间组合结构有限元分析软件。s a t w e 的核心工作就是要解决剪力墙和楼板的模 型化问题，尽可能地减小其模型化误差，使多、高层结构的简化分析模型尽可能 地合理，更好地反映出结构的真实受力状态。s a t w e 采用空间杆单元模拟梁、柱 及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。s a t w e 适用于高层 和多层钢筋砼框架、框架一剪力墙、剪力墙结构，以及高层钢结构或钢一砼混 合结构。 2 5j c c a d 软件 j c c a i ) 软件可完成柱下独立基础、墙下条形基础、弹性地基梁、带肋筏板、 柱下平板、墙下筏板、柱下独立桩基承台基础，桩筏基础、桩格梁基础及单桩的 设计工作。 2 6p m c a d 3 进行结构建模 使用p k p m 系列建筑结构设计c a d 软件进行建模时，必须按照特定的顺 序使用各c a d ，系列软件主界面如图2 - 1 所示。在建立所有模型时首先应该使用 p m c a d 来进行平面模型的设计。而在使用p m c a d 建立建筑物平面模型时也必须依 7 武汉理工大学硕士学位论文 照给出的顺序进行设计，操作顺序按照图2 - l 所示的操作界面右侧从上而下排 列按钮的顺序进行。 2 7本章小结 图2 - 1p mc a d 建模结果图 本章首先对p k p m 系列建筑结构c a d 软件中各主要c a d 的功能进行了介绍， 详细介绍了p k p m 系列c a d 中最基础的c a dp m c a d 。最后介绍了p m c a d 建模。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章复合地基理论 3 1复合地基相关概念 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基的强度和变形要求时，需要进行 地基处理，形成人工地基，以保证建( 构) 筑物的安全和正常使用。按加固原 理，地基处理方法主要包括置换，排水固结，振密，灌入固化物，加筋，以及 冷，热处理等。经过地基处理形成的人工地基大致可分为三类：均质地基，多 层地基和复合地基。 复合地基一般指天然地基的一部分或全部被人工置换或者加强，加固区是 由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工 地基。增强体一般由碎石桩，砂桩，水泥土桩，石灰桩，灰土桩，各种低强度 桩和钢筋混凝土桩等。在荷载作用下增强体和基体保持共同承担荷载作用是复 合地基的基本条件。复合地基中的桩体和桩基中桩体的作用是不同的，复合地 基中的桩体是地基整体的一个组成部分，起加固地基作用，且与承台或上部结 构作刚性连接。 复合地基按增强体设置方向可分为竖向，水平向，竖向和斜向相结合三类。 按增强体材料可分为土工合成材料，碎石桩，水泥土桩、土桩、灰土桩和渣土 桩等，各类低强度混凝土桩和钢筋混凝土桩等四类。按竖向增强体的性质可分 为散体材料桩、柔性桩和刚性桩。 复合地基按增强体设置方向可分为竖向增强体复合地基，水平向增强体复合 地基，斜向增强体复合地基和长短桩复合地基。本课题主要研究竖向增强体复 合地基。 复合地基设计时，一般要求有一定的置换率和恰当的分担比。置换率过低， 复合地基承载力特征值低，桩土分担比过高，桩土压力相差过大，使得复合地 基的均匀性变差，可以通过设置褥垫层加以调整。 竖向增强体复合地基中，竖向增强体习惯上称为桩体，基体称为桩间土体。 若桩体的横断面积为a p ，该桩体所对应的复合地基面积为a ，则复合地基置换 率m 定义为： 。生 a ( 3 - 1 ) 在荷载作用下，复合地基中桩体承担的荷载与桩间土承担的荷载之比称为 9 武汉理工大学硕士学位论文 桩土荷载分担比，有时也用复合地基加固区的上表面上桩体的竖向应力和桩间 土的竖向应力之比来衡量，称为桩土应力比，桩土荷载分担比和桩土应力比是 可以相互换算的。 复合地基加固区是由增强体和基体两部分组成的，是非均质的。在复合地 基计算中，有时为了简化计算，将加固区视作一均质的复合土体，用假想的等 价的均质复合土体代替真实的非均质复合土体。与真实非均质复合土体等价的 均质复合土体的模量称为复合地基土体的复合模量。 3 2复合地基优化设计思路 复合地基工程主要有两个目的主要是解决地基承载力不足或者解决地基沉 降量过大或者两者兼有。 对沉降量大小控制要求不是很严，主要保证地基稳定的工程归属主要是解 决地基承载力不足。在设计中首先要充分利用天然地基的承载力，然后通过协 调提高桩体承载力和增大置换率两者来达到既满足承载力要求，又比较经济的 目的。在设计中应根据不同类型的复合地基采取不同的措施提高桩体的承载力。 对采用复合地基主要要求减小沉降量时，复合地基优化设计显得更为重要。 从复合地基位移特性可知，复合地基加固区的存在使附加应力高应力区向下伸 展，附加应力影响深度变深。从深厚软粘土地基上复合地基加固区和下卧区压 缩量分析可知，当软弱下卧层较厚时，下卧层土体压缩量占复合地基总沉降比 例很大。因此，为了有效办法是减小软弱下卧层的压缩量。减小软弱下卧层压 缩量的方法最有效的是加深复合地基和加固区深度，减小软弱下卧层的厚度。 增加复合地基置换率和增加桩体刚度可以使复合地基加固区的压缩量进一步减 小，但因其本身压缩量已较小，进一步减小潜力不大。而且上述两措施不仅不 能减小加固区下卧层土体的压缩量，还可能增加它的压缩量。其理由是复合地 基加固区刚度提高可使加固区下卧层土体中附加应力值增大。 在满足复合地基承载力要求前提下，增加复合地基加固区深度可有效减小 地基沉降。在已经满足复合地基承载力设计前提下，继续增大复合地基置换率 和增大桩体刚度，对减小复合地基沉降量效果不明显，有时反而有害。考虑到 在荷载作用下复合地基中附加应力分布情况，复合地基加固区按深度可采用变 刚度分布，以有效减小压缩量。复合地基加固区变刚度分布可采用两个措施： 一个措施桩体采用变刚度设计，浅部分采用较大刚度，深部采用较小刚度。另 一个措施沿深度采用不同的置换率。减小复合地基沉降量最有效的方法是增大 武汉理工大学硕士学位论文 增强体长度，有效减小下卧层厚度，或通过加大加固区社度不仅减少下卧层厚 度而且减小小卧层附加应力值。 对采用复合地基既为了解决地基承载力不足的要求又为了减小地基沉降量 时，则首先考虑满足承载力要求，然后再考虑满足减小地基沉降量要求。 3 3复合地基承载力的计算方法 复合地基承载力特征值不是天然地基承载力特征值和单桩承载力特征值的 简单叠加，需要考虑一些影响因素，如施工时对桩间土是否产生扰动或挤密、 桩对桩间土的约束作用、桩和桩间土的承载力的发挥与变形大小、褥垫层厚度 及弹性模量的关系等。 复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计 时，c f g 桩复合地基承载力特征值可用下式( 3 2 ) 进行估算： 骨 f 吐m = + 声o - m ) f 叫p ( 3 - 2 ) 式中允。复合地基承载力特征值； 、 厶处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验 时，可取天然地基承载力特征值； 4 。桩的截面积： 口桩问土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可 取0 7 5 o 9 5 ，天然地基承载力较高时取大值； m 面积置换率： r 单桩竖向承载力特征值。 单桩竖向承载力特征值r a 的取值，可按以下方法进行： 1 当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2 ； 2 当无单桩载荷试验资料时，可按下式( 3 3 ) 计算： 及叫岛 一k 九 m m 一，吼 + 口，4 ) k( 3 3 ) u p ：桩的周长 k ：安全系数 吼。：第i 层土与土性和施工工艺有关的极限阻力，按建筑桩基技术规范 有关规定取值； 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 取值； 以：第i 层土厚度 ：与土性和旌工工艺有关的极限阻力，按建筑桩基技术规范有关规定 3 。4复合地基加固区下卧层承载力验算 当复合地基加固区下卧层为软弱土层时，按复合地基加固区容许承载力计算 基础的地面尺寸后，尚需对复合地基下卧层承载力进行演算。要求作用在下卧 层顶面出附加应力p o 和自重应力以之和p 不超过下卧层土的容许承载力 r ，即 p - p o + qs 啤】。 3 5复合地基沉降的计算方法 3 5 1 改进g e d d e s 法 设复合地基总荷载为p ，桩体承担荷载为只，桩间土承担的荷载为 一p 一只。应用b o s s e n e s q 解计算桩间土承担的荷载只在地基中所产生的附 加应力以。，而采用g e d d e s 法计算桩体承担荷载e 在地基中所产生的附加 应力。 g e d d e s ( 1 9 6 6 ) 认为长度为l 的单桩在荷载q 作用下对地基土体产生的作 用力，可近似的看作桩端集中力q 。、桩侧均匀分布的摩阻力q ，和桩侧随深度线 性增长分布的摩阻力q 等三种形式荷载的组合。g e d d e s 根据弹性半无限体中作 用一集中力的m i n d l i n 应力解积分，导出了单桩的上述三种形式荷载在地基中 产生的应力计算公式。地基中的附加应力吼。可按式( 3 - 4 ) 计算： g ，q = g ，q p + 呸，9 + q ，9 = 考嗥+ q k + q k ) 厶 ( 3 4 ) 式中，k p 、i ( r 和k t 分别表示荷载q p 、q r 和q t 引起的竖向应力系数，其表 达式较繁冗。对于由珂：根桩组成的桩群，地基中竖向应力可对这如根桩逐根采 用式( 3 - 5 ) 计算后叠加。 桩体承担荷载只和桩间土承担的荷载只共同产生的地基中的附加应力为： 口，、 q ，绵2 三【吼q ，f + q ，q , i + q 删) + q 疋 ( 3 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 根据式( 3 - 5 ) 计算地基土中的附加应力，采用分层总和法分别计算复合地基 加固区土体及下卧层的压缩量，求得复合地基的总沉降。 3 5 2 应力修正法( e s 法) 把桩间土作为加固区变形的计算对象，分别用b o s s e n e s q 解计算桩间土 承担的荷载p s 在加固区产生的附加应力和基础底面的总荷载p 在下卧层产 生的附加应力，采用分层总和法，计算加固区与下卧层的压缩量。即当荷 载不超过复合地基承载力时，按式( 3 6 ) 计算复合地基沉降： 脚c 耋鲁+ 备j 霪芦a o r 2 j 伊。， 式中吒荷载p s 加固区第i 层土产生的平均附加应力； c r 2 j 荷载p 加固区第i 层土产生的平均附加应力； 加固区第i 层土压缩模量； b 下卧层第j 层土压缩模量。 3 5 3 数值计算方法 随着计算机的发展，数值计算方法在复合地基的沉降计算中也得到越来越 多的应用。刚性桩复合地基沉降的数值计算方法一般可分为两类：一类是把单 元分为桩体单元和土体单元，考虑刚性桩复合地基桩体与桩周土的相对位移比 较明显，宜在桩体单元和土体单元之间设置接触单元，称为分离式分析方法； 另一类是把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元，即所谓的复合 本构法。 3 5 4 复合模量法( e c 法) 在本复合地基优化设计系统中采用了复合模量法来进行复合地基沉降计 算。复合土层分层与天然地基相同，复合土层的压缩模量等于该层天然地基压 缩模量的 倍。 考一等 浯， 式中厶基础底面下天然地基承载力特征值。 复合地基最终变形量可按式3 - - 8 计算： 武汉理工大学硕士学位论文 拈桃= 蠓+ 籍削 睁 阀与q 爿 式中 下卧层土的分层数； p 对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力 b 基础底面下第i 层土的压缩模量； 印。基础底面计算点至第i 层平均附加应力； 妒沉降计算修正系数，根据地区沉降观测资料及经验确定。 单个集中力作用下工程中常用的竖向正应力oz 和在地基表面上任一点 ( z = 0 ) 的竖向位移r 的应力计算公式如式3 9 所示： 3 口z 5 - n r 吒2 亏万。露= 哆 ( 3 9 ) o 一集中荷载作用下的地基竖向附加应力系数，如式3 一l o 所示： ( 3 1 0 ) 是r z 的函数。 在一般的土木工程实践中，上部荷载不是直接和复合地基接触，而是通过 基础与复合地基相连。本系统中采用矩形基础。 而在矩形面积均布荷载作用下的地基应力系数为： 蠡= 甜瓦慧篇z 2 ) + a r c s i n 赢。叫， 蠡2 甜，+ ：j 僭+ 瓦了了十a r c 弧厢再祠 ，。 若令m = l b ，n = z b ，则式3 - - 1 1 可变为式3 - - 1 2 ： 盂2 甜瓦篇等繁霜+ 3 豳“丽赢。吨， 盂2 甜耐+ 矿，r 1 膏，厅百再十3 k 蛐靥i 瓦i 习，。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 式3 - - 8 中，a p o ，是荷载在第i 层土的平均应力，应力的值为附加应力大小 与土层深度以及应力系数的乘积。 3 6本章小结 本章首先介绍了复合地基的概念，给出了复合地基与天然地基以及桩基础 的本质区别即桩与桩间土共同提供对上部建筑结构的承载支持。然后介绍了两 种不同的复合地基优化设计的方案：按承载力控制设计和沉降控制设计，并重 点阐述了本系统中采用的沉降控制设计理论。最后详细介绍了计算复合地基承 载力和沉降的方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章基于p k p m 的复合地基优化设计系统介绍 在本章中，将全面地介绍复合地基优化设计系统的组成模块。 4 1系统总体介绍 p k p m 系列建筑c a d 是目前在国内许多结构工程设计单位广泛适用的建筑设 计辅助系统。该系列软件由p k c a d ( 平面框架) ，p m c a d ( 平面模型) ，t a t ( 三维 空间分析) 等软件组成。通过p m c a d 建立建筑的各标准楼层平面模型，其中包 括各种荷载信息和几何信息。