本文以铁路上，特别是高速铁路上已经广泛用于软土地基、湿陷性黄土地基处理的路基桩板结构为例，详细的给出了在SAP2000结构软件里采用地基系数法对桩基础进行分析的步骤和过程，希望可以起到抛砖引玉的作用。
桩板结构是一种新型地基处理方法，该结构由承台板、托梁和桩基础组成，通过承台板和托梁将上部荷载传递到桩体，再扩散到土体和基底，从而达到控制深厚松软土及湿陷性地基路基沉降与变形破坏的目的。至于桩板结构方面的详细介绍在此略去，感兴趣的朋友可以参阅作者的论文：
《郑西客运专线湿陷性黄土地基桩板结构设计与优化分析》 西南交通大学硕士论文 2007年5月
《路基桩板结构平面简化法则及解析计算》铁道工程学报 2011年第8期
1建立几何模型
1）双击sap2000图标开启软件→【文件】→【新建】，弹出新建模型编辑框，将单位下拉列表的初始化单位设置为“kN，m，C”，如图1所示。
图1
2）点击【二维框架】，进入二维框架编辑框，楼层数选为1，楼层高度为桩的长度+，开间数为跨数，开间为跨度。去掉约束的√，见图2。
图2
3）点击【确定】,建立的几何模型见图3
图3
4）选取几何模型中所有的竖向杆件，点击【编辑】→【分割框架】，弹出分割选择框架编辑框，选择【分割为】，输入12，见图4。将每个竖向杆件分为12节。
图4
2材料
1）点击【定义】→【材料】，弹出定义材料编辑框。见图5。
图5
2）点击定义材料编辑框的【添加新材料】，进入材料属性数据编辑框，如图6所示定义名为C35的混凝土材料。点击【确定】定义完成，重复上述步骤定义C40混凝土材料。
图6
3截面属性
1）点击【定义】→【框架截面】，弹出框架属性编辑框，见图7。
图7
2）在编辑框右侧文本框【选择要添加属性类型】中选择Add Rectangular，然后点击【添加新属性】，进入Rectangular Section编辑框，见图8。定义承台板（定义名称为BAN）的截面属性，材料对应文本框选择为C40，深度为板的厚度输入0.8，宽度输入8.8，点击【确定】，完成定义。重复上步骤定义托梁（定义名称为BEAM）的截面属性，见图9。
图8
3）重复步骤1）在文本框【选择要添加属性类型】中选择Add SD Section，点击【添加新属性】，进入SD截面数据编辑框，如图10所示。基本材料选择C35。点击【截面设计器】，启动“CSISD”截面编辑器。点击窗口左侧快捷键Draw solid shape中的画圆按钮，画两个圆形，直径为桩直径，间距为桩横向间距。然后直接关闭“CSISD”截面编辑器，截面属性自动保存。点击【确定】，完成定义。
4）将定义的截面属性指定给对应的框架结构。首先，选择所有水平杆件。点击菜单【指定】→【框架/索/筋】→【框架截面】，弹出框架属性截面对话框，在属性一栏里选择BAN，点击确定；选择所有竖向杆件的与水平杆件相连接的第1节。重复上述过程，在属性一栏选择BEAM，点击确定；选择所有竖向杆件的第2节至第12节，重复上述过程，在属性一栏选择Pile，点击确定。
通过设置显示选项显示可以3D截面效果图：点击快捷键 ，弹出激活窗口选项对话框，见图10,在常规一列拉伸之前打√，点击【确定】。点击主菜单下方快捷键，显示窗显示3D效果图见图11。
图11
图12
4荷载工况和施加
1）定义静力荷载工况
SAP2000中对于荷载工况的数目没有限制，可以定义一个或多个荷载工况。若单独查看某些荷载作用下的结构内力、变形等，则可以将这些荷载单独定义一个荷载工况。桩板结构定义荷载工况时，可将所有恒载定义一个名为DEAD的荷载工况：点击【定义】→【荷载工况】，弹出定义荷载对话框，见图13，在对话框第一列荷载名称输入DEAD，第二列类型选择DEAD（静载）自重系数输入1，点击【添加新荷载】，定义完成。
图13
重复上述过程，对列车活载、温度荷载以及桩基差异沉降等对的应每一个荷载定义一个荷载工况。定义的荷载名称、类型及自重系数见表1。
表1定义荷载参数
2）施加恒载
在定义恒载工况时，自重乘数为1，软件自动考虑结构自重，施加的恒载为轨道板自重、钢轨扣件自重。
选取材料属性为BAN的所有杆件，点击【指定】→【框架/索/筋荷载】→【分布】，弹出框架分布荷载对话框，见图13荷载工况名称选为DEAD，在均布荷载对应的文本框输入33.85，点击确定。
3）施加列车活载
由于列车活载的特殊性，施加列车活载之前首先要定义车道、车辆。
步骤1：定义车道，点击【定义】→【桥梁荷载】→【车道】，弹出定义车道编辑框，点击【从框架添加已定义的新车道】，进入车道数据对话
图14
图15
框。车道名称输入LANE1，将所有水平杆件（承台板）按杆件编号依次添加到车道之中，中心线偏移2.2（即线路中心线相对于承台板中线便宜的距离），如图14所示。重复上述过程定义LANE2，将所有水平杆件（承台板）按杆件编号依次添加到车道之中，中心线偏移-2.2。
步骤2：定义车辆，点击【定义】→【桥梁荷载】→【车辆】，弹出定义车辆编辑框,点击【添加新车辆】，弹出一般车辆数据对话框，车辆名称输入GEN1，然后在荷载文本框添加如图15所示7个荷载，定义好的zk活载图式显示在荷载立面的对象框里，点击确定。
图16
步骤3：定义车辆类别，【定义】→【桥梁荷载】→【车辆类别】，弹出定义车辆类别编辑框，点击【添加新车辆类别】，弹出车辆类别数据对话框，车辆类别名称输入VECL1，将GEN1添加到定义车辆类别文本框中。
步骤4：定义列车活载分析工况，点击【定义】→【分析工况】，弹出分析工况编辑框，在工况一列中选择TrainLoad，点击【修改显示工况】弹出分析工况数据对话框，见图17。分析工况类型在下拉菜单中选择为Moving Load，将车辆类别VECL1添加为施加的荷载。将LANE1、LANE2添加为选择的车道。
图17
图18
4）施加温度荷载
用鼠标在窗口选择需要施加温度荷载的杆件，编号依次为：杆件2、5、8。点击【指定】→【框架/索/筋荷载】→【温度】，弹出框架温度荷载对话框（见图19）。荷载工况选择TT（拉伸温度荷载），类型选择温度，温度选择通过单元，在温度后面的文本框里输入15，点击确定完成；重复上述过程，荷载工况选择ST（收缩温度荷载），对应通过单元的温度后面的文本框里输入-15，点击确定完成；重复上述过程，荷载工况选择PTG（正梯度温度荷载），类型选择3-3温度梯度，对应通过单元的温度后面的文本框里输入20，点击确定完成；重复上述过程，荷载工况选择NTG（负梯度温度荷载），类型选择3-3温度梯度对应通过单元的温度后面的文本框里输入-10，点击确定完成。
图19
5）施加不均匀沉降
用鼠标在窗口选择需要施加不均匀沉降的杆件端点（桩底点单元）。点击【指定】→【节点荷载】→【位移】，弹出地面位移对话框，见图20，荷载工况名称选择DSubside，在Translation GlobalZ对应的文本框中输入-0.005（mm），点击确定。
图20
至此，所有荷载工况施加完毕。
5特殊功能指定
1）节点约束（边界条件）
用鼠标在窗口选择桩杆件端点（桩底点单元），点击菜单【指定】→【节点】→【约束】，弹出节点约束对话框，如图21所示，在1轴平移、2轴平移、3轴平移前打“√”，定义为铰接，点击【确定】。
图21
2）土弹簧
采用定义土弹簧可在SAP2000中利用地基系数法（M法或K法）原理来考虑桩土相互作用：
模型中，可沿单桩桩体每米分割为一个节点，建立节点弹簧，比较桩侧土作用在桩上的水平抗力公式，其弹簧刚度Kz 计算如下：
M法：Kz=m*z* b0*103
K法：Kz=K * b0*103
式中 Kz——弹簧刚度/kN/m；
m——比例系数/ MN/m4；
K——地基系数/ MN/m3；
z——桩深/m。
①K法
K法定义相对简单，步骤如下：选择所有竖向杆件节点→点击菜单【指定】→【节点】→【弹簧】，弹出节点弹簧对话框，见图22，在弹簧刚度对应的Translation1和Translation2中分别填入Kz值46446。点击【确定】，定义完成。
图22
②M法
定义M法刚度时，因Kz跟桩深Z成线性关系，可求出每个节点对应的Kz，然后逐个节点按K法进行定义。但是这样定义的话，如果存在成百个节点，定义工作量相当巨大。SAP2000提供了交互式数据库编辑功能可以帮助我们轻松解决这个问题。步骤如下：
按K法给每个节点加上弹簧→选择某一根桩对应的杆件的所有的节点→点击菜单【编辑】→【交互式数据库编辑】，弹出Choose Tables for Interactive Editing 对话框，见图23；选择【Joint Assignment】→【Table：Joint Spring Assignments】，点击【OK】，弹出如图24所示对话框。点击对话框右下角的【To Excel】，弹出Excel表对话框，如图25，这时某根桩的所有节点的弹簧刚度值全列在表里了。把计算好的Kz对应节点编号粘贴到表格里。然后在图24对话框中点击【From Excel】。弹簧刚度数据即导入模型中。
图23
图24
图25
6分析功能
1）点击菜单【分析】→【运行分析】，弹出设置运行分析工况对话框，点击【现在运行】，运行完毕之后，点击【确定】。
2）点击菜单【显示】→【显示力/应力】→【框架/索/筋】，弹出框架的构件受力图对话框，如图7.6-1所示。工况/组合名选择TrainLoad，分量选择弯矩3-3，点击【确定】，显示列车活载作用下桩板结构的弯矩包络图。重复上述操作过程，分量选择剪力2-2，显示列车活载作用下剪力包络图。
图26
同样可以类似操作查看其他工况下的弯矩剪力图，将最不利工况组合中各工况的弯矩剪力采用叠加原理进行叠加计算，即可求得桩板结构的的最不利弯矩剪力包络图。
