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抗拔樁布樁形式對基礎底板的內力影響

作者:來源:日期:2019-11-7 13:25:02人氣:1565
      隨著城市建設的高速發展,城市建設用地越來越少,民用建筑中設置地下室的工程越來越多,且面積以及基礎底板的埋深也越來越大。因地下室的抗浮問題日益突出,所以在這一背景下抗拔樁的設計常常會成為結構工程所面對的問題??拱螛兜牟贾眯问綍苯佑绊懟A底板的變形及內力、基礎底板的厚度及用鋼量,進而直接影響其工程造價。為此分析抗拔樁的布置形式對基礎底板的影響具有實際意義。1原理

      對于純抗拔工況控制的地下室布樁,常常用抗壓樁的布置形式去布置抗拔樁,但是卻忽略了抗壓樁與抗拔樁對底板作用力的方向是相反的,照搬套用抗壓樁的布樁形式明顯存在誤區??箟簶妒前阎變攘νㄟ^承臺直接傳遞至深層土層中,所以把樁布置的離柱中心越近,對基礎底板的變形影響也越小,進而底板的內力也會變小,是合理的布樁形式。當然,為減小群樁效應,樁間距需滿足規范要求。但是在水浮力作用下,抗拔樁向下的抗拔力與柱底向下的軸力同樣可以作為基礎底板的支座,如把抗拔樁布置得離柱越近,則基礎底板的中間跨度就越大,其變形和內力勢必會變大。這種布樁形式就沒有很好地利用抗拔樁的剛度作為支點這一原理,雖然滿足了地下室的抗浮需求,但沒有對改善基礎底板變形和內力起到積極的作用。是否應將抗拔樁布置在跨中,以達到均勻分布支座的作用,正是本文討論的目的所在。

      假設水頭足夠大,使其在使用階段不出現抗壓工況的地下室結構,底板受抗浮控制。從標準柱網中取出其中1跨,柱下布置2根抗拔樁(見圖1)。


由于柱底內力的存在,柱底下水浮力與其部分抵消后,剩余的水浮力均由抗拔樁來平衡。根據該荷載分布示意圖,以框架柱為支點,分別畫出底板在水浮力作用下產生的彎矩M*、底板在抗拔樁下拉力作用下產生的彎矩Mp將上述2個彎矩組合后即形成了最終彎矩M(見圖2)。


      由圖2可見,因為布置了抗拔樁,其支撐作用的存在對基礎底板有一定的約束作用,對底板有下.拉力,所以柱下以及跨中的彎矩都有所降低??拱螛秾A底板的下拉力T的取值與其剛度K正相關,抗拔樁的剛度可以按彈簧剛度來考慮K=T8。其中δ為位移值,可通過抗拔靜載試驗取得較精準的數據。但是抗拔樁如何布置才能使其組合彎矩M盡可能地變小,需要進一步研究。

      用盈建科建筑結構設計軟件計算1根連續梁.的彎矩。以節點荷載模擬抗拔樁的下拉力T,其中梁跨8800mm,節點荷載為1 000kN,其作用位置與框架柱的距離X分別為說, 14, A (L為跨度)。經計算后,各種情況的彎矩見表1


      由表1可見,隨著節點荷載往中間移動,連續梁跨中、支座的彎矩都會變大,即抗拔樁的布置往跨中移動,基礎底板的板面和板底的彎矩M-都會.變大,由圖2可見,正因為M與M*方向是相反的,所以在這種情況下,Mr與M水組合后,其組合彎矩值M就會變小,即底板的內力會變小。

      根據以上分析可見,通過改變調整抗拔樁的位置來調整對基礎底板的內力控制的想法是可行的??拱螛峨x柱越遠(在跨中) ,可以起到改善底板受力的最優效果。

      2布樁方案的分析對比

      2.1  案例概況

      用盈建科建筑結構設計軟件對案例進行比較,以分析抗拔樁對基礎底板的內力影響。該案例為地下2層的地下車庫,框架結構,柱網為88mx 81m, 頂板覆土1.5m.基礎底板厚500mm,埋深98m.柱下設置厚900mm下柱墩。樁基承載力設計參數見表2。


      受力工況匯總:

      (1)抗壓工況。此時柱底為上部結構恒+活,底板考慮恒+活,水浮力按低水位取值,即地面以下1.5m。

      (2)抗浮工況。此時柱底為,上部恒載,底板也僅考慮恒載,水浮力按高水位取值,即地面以下05m。根據.上述原則進行導荷計算(見表3)。


      由表3可見,在抗壓工況下,柱底已出現上拔力,故該單體的樁可定性為純抗拔樁。該案例采用φ 600mm的鉆孔灌注樁作為抗拔樁,以抵抗水浮力,樁長34m,抗拔承載力為900 kN,樁端進入⑧向層。根據表3中抗浮工沉下導荷的柱底內力,計算得3004900=334根,即標準柱網下每個柱底需布置4根抗拔樁。

      2.2 布樁方案比較

      受傳統的抗壓樁布置理念的影響,抗拔樁往往都布置在柱下(見圖3 ,但是抗壓樁與抗拔樁對底板作用力的方向是不一樣的。在抗壓工況下,由于柱荷載通過柱墩傳給樁,故樁集中布置在柱墩下,可減小底板受力;在抗拔工況下,抗拔樁提供的向下抗拔力與豎直向下的柱荷載共同抵抗豎直向上的水浮力,所以相對于水浮力,抗拔樁和柱荷載都起到了支座的作用,抗拔樁布置的離柱越遠,則底板的受力越小。根據上述分析,在方案1的基礎上做一些布樁形式的調整改變,以便于之后的對比分析。首先柱下保留2根抗拔樁,將其余的2根分別布置在X軸、Y軸的軸線跨中處(見圖4,然后柱下僅保留1根樁,將另外1根樁布置在板跨中間(見圖9 ,最后柱下不布置樁,把4根樁均勻布置在板跨下(見圖日。4種布置方案在9跨x 9跨的計算模型中的總樁數保持不變。

      2.3 樁反力及彎矩、節約效率比較

      不同的布樁方案,其基本的力學原理均為樁、水浮力和柱豎向力三者之間的力的平衡?;A底板為傳遞各種力的構件。使不同力之間傳遞更直接,傳力構件受力變形最小則是優化設計的根本原則。本文以盈建科建模計算上述4種布樁形式與基礎底板內力之間的關系。以彈性地基梁板法計算,抗拔樁的剛度按地質資料迭代反算為90 000 kN。





      從圖7~圖10的樁反力圖中可見,4個方案樁的上拔力均< 900kN,能滿足安全要求。其中,方案1的柱下4根樁反力基本相等;方案2的樁反力大小依次為:長跨處>短跨處>柱下;方案3的樁反力大小依次為:板跨跨中處>長跨處>短跨處>柱下;方案4的樁反力也基本相等。樁反力數值的大小,證實了上述所說的在抗拔工況下,抗拔樁向下的抗拔力和柱荷載向下的力都起到了支座的作用。由于柱軸力的存在,柱下的樁反力相對于跨中的樁反力要偏小,也是合理的。

      4個方案的中間板跨的基礎底板彎矩比較見表4。


      由表4可見,無論是板跨跨中彎矩還是下柱墩彎矩,方案1~方案3均呈下降趨勢,方案4中的板跨跨中彎矩較方案3略大,但相對于方案1也明顯減小。方案1中把樁集中布置在柱墩下這一抗壓樁的布置形式,在抗浮工況控制的結構中存在明顯弊端。這是由于方案1的布置形式沒有利用抗拔樁對底板的支撐作用來對水浮力傳至基礎底板進行干預,導致該布置形式下基礎變形較大,內力偏大。方案2方案3方案4則不同程度地考慮到了抗拔樁對基礎底板的支撐作用。在同樣滿足抗浮的前提下,該3種方案不同程度地減小了底板內力,降低了配筋。表5給出了4個不同方案的底板用鋼量節約率(取核心區9跨)。


      由表5可見,方案3方案4中在板跨中間布置抗拔樁后,底板每平方米的用鋼量相對于方案1節約為321%、 288%,說明在抗壓工況不起控制作用時,抗拔樁應盡量布置在跨中??此坪唵蔚牟紭墩{整,帶來的節約率不容小覷。在方案2.方案3方案4的布置形式中,柱荷載及抗拔樁都起到了支座作用,支座間距相對均勻,方案3方案4說明抗拔樁的支承點在基礎底板分布均勻,其經濟性就好。

      2.4 施工階段的考慮

      在井點降水后不存在水浮力,結構就有階段性的抗壓工況存在,故布樁首先需滿足抗壓工況。柱下還是需要適當布樁。綜上所述,方案3的布樁方案是最合理的。下面驗算施工階段抗壓工況下,樁反力能否滿足樁承載力設計值。施工階段僅考慮構件和土的恒載及部分施工活載。經建模計算后,樁反力見圖11。


      由圖11可見,最大樁反力在柱下,為1200kN,其抗壓承載力為1 220kN,可滿足其要求。由于樁布置在了底板處,需按照《混凝土結構設計規范》0651條進行施工階段及正常使用階段的樁對底板沖切驗算。其受沖切承載力F=(0 Bf +0.25r..)ηu.ho= 1 630kN,均可滿足上述2種工況下的沖切力設計值。以上β為截面高度影響系數;f為混凝土軸心抗拉強度設計值,σ.為計算截面周長上2個方向混凝土有效預壓應力按長度的加權平均值,um為計算截面的周長,h。為截面有效高度。3樁剛度的影響
從布樁形式對比,不難發現利用抗拔樁的剛度對底板的支撐作用,離柱布置得越遠,越均勻,對于底板的用鋼量越經濟。那抗拔樁的剛度大小對于降低底板內力有多大的作用?下面做進一步分析(見表6)。


      由表6中可見,隨著樁剛度的提高,底板彎矩有所減少,但相對于剛度值的成倍提高,底板彎矩下降有限,這就說明不能一味地通過改變樁長、后.注漿等方法來增加樁剛度,使其達到優化底板設計的目的,而是應重點關注布樁形式。4結語

      ()對于以抗浮工況控制的地下室結構,抗拔樁除使地下結構滿足抗浮要求外,還應通過合理的布樁形式,優化基礎底板受力。由于在水浮力作用下,抗拔樁向下的抗拔力和柱向下的軸力共同起到了對底板的支撐作用,如果使抗拔樁分布較均勻,則基礎底板的支撐點較均勻,底板的變形和內力都會減小,其用鋼量明顯降低。

      (2當僅考慮抗壓工沉時,樁應盡量集中布置在柱下,柱荷載通過承臺傳遞至樁,樁再將荷載傳遞至更深的土層中。當僅考慮抗浮工況時,樁應盡量布置在跨中,使樁和柱共同作為底板支撐點,以抵抗水浮力。但在實際項目中,尤其是在施工階段,并沒有水浮力,所以考慮到其抗壓工況,柱下還是需要適當布樁,剩余的抗拔樁應盡量布置于跨中。

      (3不同的地質條件、不同的樁型,樁的剛度差別很大,但樁剛度對基礎底板受力影響較小,設計時應重點關注布樁形式。

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