多樁承臺(tái)間連系梁對(duì)樁基受力的影響研究

何姣云 周衛(wèi)國

1. 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430070；2. 武漢凱迪電力工程有限公司 湖北 武漢 430223

工業(yè)設(shè)備支架一般采用有立面斜撐的鋼支架，鋼柱腳處有巨大的豎向荷載、水平荷載及彎矩，需通過承臺(tái)傳遞至基樁?；鶚毒哂休^大的豎向荷載承載能力及較小的水平荷載承載能力。為適應(yīng)這些傳力特點(diǎn)，工程上一般采用增加基樁數(shù)量、采用聯(lián)合基礎(chǔ)、設(shè)置連系梁等方案解決[1-4]。但增加基樁數(shù)量或采用聯(lián)合基礎(chǔ)都造成工程造價(jià)的大幅增長，而對(duì)于在多樁承臺(tái)間設(shè)置連系梁，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范沒有給出明確的設(shè)計(jì)方法。本文結(jié)合樁基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)工業(yè)建筑多樁承臺(tái)間連系梁在設(shè)計(jì)中所涉及的問題進(jìn)行分析和探討，結(jié)果可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 研究背景

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)范中多樁承臺(tái)間連系梁設(shè)置規(guī)定

目前，主要設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)多樁承臺(tái)間連系梁設(shè)置的規(guī)定不夠詳細(xì)。GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 規(guī)定，樁基承臺(tái)之間宜沿2個(gè)主軸方向設(shè)置基礎(chǔ)連系梁，但沒有規(guī)定連系梁的設(shè)置位置，也沒有給出連系梁的計(jì)算方法以及構(gòu)造規(guī)定。GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，有抗震要求的柱下獨(dú)立承臺(tái)，宜在2個(gè)主軸方向設(shè)置連系梁，并給出了連系梁位置要求和構(gòu)造配筋方面的規(guī)定，但并沒有給出計(jì)算方法。

1.2 工業(yè)建筑設(shè)計(jì)過程中連系梁設(shè)置現(xiàn)狀

由于設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)多樁承臺(tái)間連系梁設(shè)置的規(guī)定不夠詳細(xì)，因此，各設(shè)計(jì)院對(duì)于多樁承臺(tái)間連系梁設(shè)置的實(shí)施并不一致，體現(xiàn)在是否設(shè)置連系梁、連系梁設(shè)置位置、連系梁如何參與鋼支架柱底荷載的傳遞等方面。

關(guān)于是否設(shè)置連系梁的問題：部分設(shè)計(jì)院主張不設(shè)置連系梁，采用增加樁數(shù)，或者設(shè)計(jì)成聯(lián)合承臺(tái)的方案；也有通過設(shè)置連系梁以滿足規(guī)范規(guī)定的抗震要求，并傳遞鋼支架柱底荷載的水平力。

關(guān)于連系梁設(shè)置位置的問題：有些項(xiàng)目的連系梁設(shè)置在鋼柱底附近（即混凝土短柱柱頂）；有些設(shè)置在承臺(tái)頂部附近；還有的設(shè)置在承臺(tái)底部位置[5-6]。

關(guān)于連系梁如何參與鋼支架柱底荷載的傳遞問題：有些項(xiàng)目設(shè)置連系梁的目的僅是為了滿足規(guī)范的抗震要求；有些設(shè)計(jì)院認(rèn)為連系梁能傳遞鋼支架柱底荷載的水平力；有些設(shè)計(jì)院認(rèn)為連系梁不僅能傳遞水平力，還能平衡彎矩（樁頂平面處的彎矩使各基樁的豎向支撐力不同）[7-8]。

2 工程實(shí)例

本文以一個(gè)已成功實(shí)施的火力發(fā)電廠鍋爐鋼支架的柱腳受力分析為案例，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

工程實(shí)例較為復(fù)雜，為簡化分析過程，本文僅選取實(shí)例中的一種（標(biāo)準(zhǔn)組合）控制工況的x軸線方向作為分析對(duì)象，沒有考慮z方向的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（已從工程實(shí)例的基樁受力分析結(jié)果中消除了z方向水平荷載對(duì)基樁豎向及水平荷載的影響）。

2.1 基樁的基本特性

根據(jù)試樁報(bào)告以及工程樁檢測報(bào)告：工程實(shí)例采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑0.8 m、樁長30 m；樁基的豎向承載力特征值為3 000 kN；水平荷載承載能力84 kN（10 mm變形對(duì)應(yīng)的是112 kN，0.75×112 kN＝84 kN），正方形布樁的9樁承臺(tái)群樁綜合效應(yīng)系數(shù)為1.33，群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力特征值是111.72 kN（1.33×84 kN＝111.72 kN）。

樁的水平變形系數(shù)為0.38 m-1。

2.2 承臺(tái)及連系梁的基本尺寸

承臺(tái)為6.5 m×6.5 m×2.0 m的9樁承臺(tái)，基樁樁距為2.4 m；承臺(tái)上短柱斷面尺寸為2 m×2 m，短柱頂至基樁頂?shù)木嚯x為4.5 m；連系梁斷面尺寸為1.25 m×0.50 m，連系梁頂面比承臺(tái)頂面低50 mm（為簡化計(jì)算，計(jì)算模型中忽略了此尺寸），如圖1所示。

圖1 樁基承臺(tái)布置示意

2.3 受力分析方法及基樁受力結(jié)果

基樁的受力分析方法：上部結(jié)構(gòu)傳至承臺(tái)短柱頂?shù)呢Q向荷載由各基樁平均分擔(dān)；水平荷載經(jīng)連系梁傳遞，由范圍內(nèi)的所有基樁平均分配；水平荷載產(chǎn)生的彎矩（短柱頂至基樁頂?shù)木嚯xh與水平荷載Fx的乘積）由各承臺(tái)的基樁抵抗。承臺(tái)及基樁編號(hào)布置如圖2所示 。

圖2 承臺(tái)、基樁編號(hào)布置

上部結(jié)構(gòu)傳至承臺(tái)短柱頂?shù)暮奢d如表1所示。為簡化計(jì)算，本文僅以案例中的一種（標(biāo)準(zhǔn)組合）控制工況為研究對(duì)象。

表1 標(biāo)準(zhǔn)組合控制工況荷載

基樁的反力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 基樁反力計(jì)算結(jié)果

從表2中計(jì)算結(jié)果可看出：工程實(shí)例工況下，承臺(tái)3下的基樁6的豎向荷載最大，為2 637.35 kN，水平反力為 -73.39 kN。

另外，承臺(tái)1、3下的基樁受力較小，但實(shí)際設(shè)計(jì)的樁數(shù)量偏多，是因?yàn)槌信_(tái)1、3下的基樁數(shù)量是由其他工況所控制的。

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

連系梁位置設(shè)計(jì)3個(gè)有限元模型，分別是連系梁頂面與短柱頂平齊（圖3）、連系梁頂面與承臺(tái)頂平齊（圖4）、連系梁底面與承臺(tái)底平齊（圖5）。

圖3 連系梁頂面與短柱頂平齊

圖4 連系梁頂面與承臺(tái)頂平齊

圖5 連系梁底面與承臺(tái)底平齊

承臺(tái)模型：4個(gè)9樁承臺(tái)的尺寸均為6.5 m×6.5 m，承臺(tái)厚度2 m，間距分別為10、20、10 m，承臺(tái)短柱尺寸均為2 m×2 m，高為2.5 m；模型采用邊長為0.25 m的立方體單元。

基樁：樁距為2.4 m，樁徑為800 mm，采用彈性支座模擬基樁。

承臺(tái)間連系梁的位置分別為短柱頂、承臺(tái)頂以及承臺(tái)底，連系梁斷面尺寸均為1.25 m×0.50 m。

3.2 確定彈性支座的各彈簧系數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際樁基檢測資料，在豎向荷載作用下，樁的典型豎向荷載-變形曲線如圖6所示。

圖6 基樁豎向荷載-變形

在基樁的豎向承載能力特征值范圍內(nèi)，可近似得出基樁的彈簧系數(shù)KFy≈920 000 kN/m。

在水平向荷載作用下，樁的典型水平向荷載-變形曲線如圖7所示。

圖7 基樁水平向荷載-變形

在基樁的水平承載能力特征值范圍內(nèi)，可近似得出基樁的彈簧系數(shù)KFx＝KFz≈10 000 kN/m。

3.3 其他因素

模型中沒有考慮z方向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)也忽略了z方向的荷載，與上文中工程實(shí)例的計(jì)算基準(zhǔn)相同。

工程實(shí)例與有限元模型計(jì)算中均忽略了承臺(tái)側(cè)面（z方向）土體和地面土體對(duì)基樁反力計(jì)算的影響，也忽略了連系梁四周土體對(duì)連系梁的摩阻力及支撐力的影響。這樣的計(jì)算方法應(yīng)該可以得到保守的結(jié)果，不會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生安全影響。

3.4 計(jì)算結(jié)果

從工程實(shí)例的受力分析以及有限元模型的計(jì)算結(jié)果來看，承臺(tái)以及短柱的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果均符合預(yù)期，在此不再贅述。

連系梁頂面與短柱頂平齊模型中的基樁反力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 連系梁頂面與短柱頂平齊模型中基樁反力計(jì)算結(jié)果

表3中各承臺(tái)范圍內(nèi)基樁的豎向反力比工程實(shí)例更趨于平均，基樁的最大豎向反力為2 545.58 kN，較工程實(shí)例的基樁最大豎向反力降低約92 kN（3.5%）；各基樁水平反力范圍為-75.94～-71.69 kN，與工程實(shí)例相比，變化范圍為-2.3%～3.5%。

連系梁頂面與承臺(tái)頂平齊模型中基樁反力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 連系梁頂面與承臺(tái)頂平齊模型中基樁反力計(jì)算結(jié)果

表4中各承臺(tái)范圍內(nèi)基樁的豎向反力比工程實(shí)例更趨于平均，基樁的最大豎向反力為2512.98 kN，較工程實(shí)例的基樁最大豎向反力降低約124 kN（4.7%）；各基樁水平反力范圍為-75.07～-71.90 kN，與工程實(shí)例相比，變化范圍為-2.0%～2.3%。

連系梁頂面與承臺(tái)底平齊模型中基樁反力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 連系梁底面與承臺(tái)底平齊模型中基樁反力計(jì)算結(jié)果

表5中各承臺(tái)范圍內(nèi)基樁的豎向反力比工程實(shí)例更趨于平均，基樁的最大豎向反力為2 511.39 kN，較工程實(shí)例的基樁最大豎向反力降低約126 kN（4.8%）；各基樁水平反力范圍為-75.58～-71.91 kN，與工程實(shí)例相比，變化范圍為-2.0%～3.0%。

4 結(jié)語

工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到多樁承臺(tái)間是否設(shè)置連系梁、連系梁設(shè)置位置、連系梁設(shè)置效果等爭論。本文根據(jù)已實(shí)施工程的實(shí)例數(shù)據(jù)，采用有限元方法模擬了連系梁在承臺(tái)不同高度位置的受力分析，得到多樁承臺(tái)間連系梁對(duì)承臺(tái)下基樁反力影響效果的初步規(guī)律，可以為工程師在設(shè)計(jì)多樁承臺(tái)時(shí)提供幫助。

1）設(shè)置連系梁可以起到將軸線上水平荷載平攤到各基樁的作用。

2）進(jìn)一步驗(yàn)證了工程實(shí)例中的設(shè)計(jì)方法（上部結(jié)構(gòu)傳至承臺(tái)短柱頂?shù)呢Q向荷載由各基樁平均分擔(dān)；水平荷載經(jīng)連系梁傳遞，由范圍內(nèi)的所有基樁平均分配；水平荷載產(chǎn)生的彎矩由各承臺(tái)的基樁抵抗）是合理的。

3）多樁承臺(tái)間設(shè)置連系梁能降低基樁的最大反力，但其降低幅度較小。

4）從上述模擬計(jì)算結(jié)果看，連系梁設(shè)置在承臺(tái)不同高度位置對(duì)基樁反力的影響并不大，因此，多樁承臺(tái)間設(shè)置連系梁時(shí)可以方便靈活地避讓工業(yè)建筑中常見的溝道、管道、設(shè)備基礎(chǔ)等。

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