韓麗玲
中石化廣州工程有限公司 廣東 廣州 272100
由于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)省模板、改善制作時的施工條件、勞動效率高、施工速度快等優(yōu)勢,使得預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在石油煉化項目中應(yīng)用較多。工業(yè)設(shè)計中,預(yù)制混凝土柱及預(yù)制混凝土梁常用于管構(gòu)架中,本文將結(jié)合某國外項目用到的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu),對預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中遇到的杯口基礎(chǔ)進(jìn)行分析探討,為今后類似混凝土預(yù)制構(gòu)件杯口基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。
國標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》從構(gòu)造措施來考慮杯口基礎(chǔ)的設(shè)計,并未給出明確的計算模型,無法從受力分析的角度進(jìn)行定量計算。
國外杯口基礎(chǔ)計算分為兩種,杯壁光滑時的杯口計算及杯壁鑿毛時的杯口計算。由于鑿毛杯口基礎(chǔ)的柱與杯口的連接還有許多問題尚未解決,故本文先介紹杯壁光滑時杯口基礎(chǔ)的計算。
根據(jù)實際的預(yù)制柱在杯口中的受力,我們得到了計算模型,如圖1所示。
圖1 杯口基礎(chǔ)計算模型示意圖
根據(jù)Canha的理論[1]研究,預(yù)制柱與杯口連接處的受力分析如下:
根據(jù)預(yù)制柱與杯口連接受力示意圖,通過力平衡方程和彎矩平衡方程求解柱子與杯口接觸位置的反力,進(jìn)行整理后得到:
對Hinf處取矩,根據(jù)力矩平衡,可以根據(jù)計算得到水平力Hsup,f的大?。?/p>
水平向主要受力鋼筋A(yù)s,hpl用來抵抗水平力Hsup,f,并且設(shè)計將其分布于lemb/3長度的范圍內(nèi)。據(jù)此方法,水平向受力鋼筋A(yù)s,hpl主要抵抗水平力Hinf,f,并且將其分布于2lemb/3長度的范圍內(nèi)。
豎向受力鋼筋A(yù)s,ypl用來抵抗豎向力Rvp,杯口中的橫墻受到了Hsup,f和 Hinf,f的壓力,這些力主要由As,hpt來承擔(dān)。
根據(jù)力矩平衡,可以得到如下計算公式。
根據(jù)實驗所得,這兩個水平力Hsup,f-f以及Hsup,f-t的比重分別為0.15和0.85,由此可以得到:
到此我們就得到了所有的受力,相應(yīng)的鋼筋面積也可根據(jù)受力計算得到[2]。
在杯口的橫墻處,根據(jù)Leonhardt理論,基于結(jié)構(gòu)和節(jié)點的模型可以得到如圖2所示的模型。
圖2 STRUTS-TIES計算模型
杯口角部豎向鋼筋面積計算:
次要的杯口墻中豎向鋼筋面積計算:
杯口墻體水平向受力鋼筋計算面積:
其中水平箍筋A(yù)s,hpl和As,hsl兩者可以取較大值用于所有杯口中墻的配筋。
某國外項目中管架采用預(yù)制混凝土梁柱結(jié)構(gòu)以及杯口基礎(chǔ)的形式。本文選取800×800的柱子,基礎(chǔ)埋深1.5m(基礎(chǔ)頂面到地面距離)[3]。取某段管架采用STAAD計算,得到柱底最大荷載(kN)如下所示:
Fx Fy Fz Mx My Mz 45.386 747.97 90.504 386.22 -2.378 -220.3
預(yù)制柱的插入深度為L=1.2m>1.5h=1.2m,那么水平力作用點y=y’=0.1L=0.12m,灌漿厚度W1=0.1m;杯口厚度hc為0.4m>1/3(h+2W)=0.33m,杯口總長度為hext=h+2W+2hc,混凝土保護(hù)層為0.075m,tanβ=0.812,混凝土采用C30,鋼筋采用HRB400。根據(jù)以上公式,得到杯口計算結(jié)果Hsup,f=471.78kN;Hint,f=173.02kN ;Nbf=658.35kN。
根據(jù) STRUTS - TIES 計算模型,可以得到
至此,我們可以得到所有的受力,根據(jù)計算得到的力可以計算出杯口基礎(chǔ)各個墻的配筋大小。我們以標(biāo)號①②③④來標(biāo)示鋼筋在杯口中的位置[4]。
豎向鋼筋面積As,vp=524.47mm2①(為杯口角部的豎向鋼筋布置),選配2Φ20,As,vp=628mm2;As,vs=209.8mm2②(為次要的杯口墻中的豎向鋼筋布置)選配8Φ20,每邊4Φ20對稱布置,As,vs=2513 mm2。
水平向鋼筋面積計算:As,hpl=646mm2-③ (為杯口墻體水平向受力鋼筋布置,分布于墻體0.3L處),選配Φ12@150, As,hpl=678mm2; As,hsl=237 mm2-④(為杯口墻體水平向受力鋼筋布置,分布于墻體0.7L處)。選配Φ8@200, As,hsl=2513mm2。
圖3 杯口配筋平面圖
國內(nèi)的杯口基礎(chǔ)要求杯壁及杯底鑿毛,但是國外杯口基礎(chǔ)分為鑿毛和光滑兩種形式。本文僅取國外光滑杯口基礎(chǔ)進(jìn)行計算對比。我們從柱子的插入深度、杯壁厚度、杯壁配筋三項進(jìn)行對比,以期找到其相同及不同點對將來的設(shè)計有所裨益。
2.2.1 柱子插入深度:國內(nèi)分杯口基礎(chǔ)及高杯口基礎(chǔ)兩種,根據(jù)柱的截面大小據(jù)表確定。國外杯口底面確定為基礎(chǔ)頂面,即插入深度即為短柱高度。
2.2.2 杯壁及杯底厚度:國內(nèi)杯口厚度及杯底厚度根據(jù)基礎(chǔ)長邊尺寸據(jù)表確定,最小為150mm;高杯口基礎(chǔ)的杯口厚度同樣由基礎(chǔ)長邊尺寸據(jù)表確定,最小200mm。國外杯口基礎(chǔ)的杯口厚度同樣與柱截面大小有關(guān),杯壁厚度hc≤1/3(h+2W),其中h為柱長邊尺寸,W為柱與杯口的間距,取50mm。我們將列表進(jìn)行對比:
表1
2.2.3 杯壁配筋:國內(nèi)杯壁配筋皆由構(gòu)造確定,國外杯壁配筋皆由計算確定[5]。
經(jīng)過對比分析,國內(nèi)外杯口基礎(chǔ)設(shè)計方法相差較大,所以最終計算結(jié)果略有不同。
國內(nèi)全部采用鑿毛基礎(chǔ),一些國外項目則有杯壁光滑和杯壁鑿毛兩種基礎(chǔ)形式。
國內(nèi)杯口基礎(chǔ)的插入深度與柱子的寬度有關(guān),國外柱子插入深度則為短柱長度。
杯口基礎(chǔ)的杯壁厚度均是與柱子長邊尺寸有關(guān),但是本案例中,國外杯口厚度較國內(nèi)略厚。
配筋信息,其中相差較大的為杯壁四角的配筋信息,由于國內(nèi)基礎(chǔ)鑿毛,故水平力能更好地傳遞給基礎(chǔ),故杯壁的配筋較??;此例中的國外杯口基礎(chǔ)杯壁光滑,水平力由杯壁和基礎(chǔ)共同承擔(dān),導(dǎo)致配筋較大。