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抗拔樁筏基礎底板配筋的計算方法

作者:來源:日期:2019-12-24 10:43:10人氣:2519
      0引離

      近年來,隨著城市發展的需要,高層及超高層建筑不斷涌現,基礎埋置越來越深,同時,作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分、裙房或相對獨立的地下結構物(如地下商場、地下車庫等)的開發和利用越來越廣泛,因此地下結構物的抗浮問題日益突出。在我國沿海地區曾出現過多起因地下水浮力而導致地下室破壞的事故。在這些事故中,有的地下室底板隆起,導致底板破壞;有的地下建筑物整體浮起,導致梁柱結點處開裂及底板破壞等等,直接危害使用和結構安全,應引起設計者的足夠重視。另在2011版(建筑地基基礎設計規范0中5.4.3條也新增了關于基礎抗浮穩定性驗算的規定,足見抗浮計算的重要性。故抗拔樁的應用也越來越廣泛。


      1抗拔樁筏基礎設計

      1.1 抗拔樁的布置

      抗拔樁基礎設計首先是進行底板抗浮驗算,根據抗浮水位計算水浮力,判斷底板是否需要打抗拔樁;然后,結合實際工程土質情況,合理選用抗拔樁設計參數問選擇合適的樁型;接著,進行抗拔樁自身的承載力設計及裂縫驗算臼;.最后就是選擇布樁方式和確定用樁數叫進行布樁。

      值得注意的是,抗撥樁的布置方式對底板的內力配筋影響很大,若抗撥樁集中布置在柱下,其優點是可以充分利用上部結構傳來的豎向力平衡掉- . 部分水浮力,缺點是不能充分抵抗水浮力對底板產生的彎矩,地下室底板配筋較大;若是在底板下面均勻布置抗拔樁,其優點是底板配筋較小,缺點是不能充分利用上部結構傳來的豎向力來平衡掉-部分水浮力,且不利于底板下的外防水施工。合理的布置形式能有效減少底板的內力和配筋,優化結構的受力特性,具體可見參考文獻[6]。

      一般對于抗拔樁集中布置在柱下的情況,筏板配筋計算往往不考慮抗拔樁,直接按天然地基上的筏板計算。但是當抗拔樁布置在筏板跨中的情況,就必須要考慮抗拔樁的作用,本文著重討論這種情況下,底板配筋的計算方法。

      1.2抗拔樁工作機理

      抗拔樁的作用,顧名思義,就是使建筑物滿足抗浮穩定性要求,,抗拔樁受上拔荷載時,通過樁身將荷載傳遞到樁側土。同時樁身拉應力產生于樁頂,隨著上拔荷載的增加,樁頂位移也相應增加,樁身拉應力逐步向下部擴展。當樁頂部位的樁-土相對位移達到- - 定值時,認為該界面的側摩阻力已經全部發揮,此時樁頂抗拔總阻力將逐步下降,直至破壞。故在抗拔樁筏基礎中,樁的上拔荷載由樁周摩阻力和樁身自重來共同承擔。

      但是,當地下室埋深較淺、地下水位又較高且變化幅度范圍大時,考慮上部覆土等的較大恒載及上部消防車等的較大活載,由于水位變化,荷載組合形式不同,會出現抗拔樁轉換成抗壓樁的情況"?;蚴窃谑┕で闆r下,由于采取了降水措施或者正常使用情況下地下水位較低時,也會出現抗拔樁受壓的情況。就是當水位較低時,水浮力較小,結構自重大于水浮力,且已設置抗拔樁的情況,這時的上部結構荷載由樁-土共同承擔,抗拔樁轉換成抗壓樁。

      由于地下水位的高低以及地下水范圍變化莫測,抗拔樁的受力狀態是在不斷變化的,故抗壓和抗浮是2種最極端的情況,但是設計時考慮的是荷載最不利效應,選取的也是可能出現的最大荷載。所以實際設計時,樁筏基礎底板配筋設計也就需要考慮這2種極端情況。本文重點討論樁筏基礎的底板配筋計算的問題。

      2工程實例

      2.1工程概況

      某工程地下室部分為2層,主要功能為地下車庫,平面尺寸及布樁方式如圖1所示。


      地下1層層高3.8m,地下2層層高3.4m,標高關系詳見圖2。


      本工程抗拔樁選用邊長300 mm的預制混凝土方樁,抗拔承載力特征值取300 kN。根據抗浮驗算的結果,每根柱下平均需要4根抗拔樁,布置如圖1。下面討論底板配筋的計算,前提是樁對板的沖切滿足要求。

      2.2抗拔樁受壓

      當地下水位較深時,水浮力小于結構自重,樁-土共同I作用承擔上部荷載(復合樁基),抗拔樁受壓,筏板沉降變形,應按常規樁筏基礎設計。

      由于樁、土的支承剛度存在數量級的差異,因此在相同荷載水平下,樁土變形并不協調,兩者很難作為一個整體工作。也正是基于上述原因,目前常規樁基是按將上部結構荷載全部交由樁基來承擔進行設計的四,底板下的土體主要起保證有足夠的安全儲備的作用,底板配筋的計算結果見圖3(由于底板配筋一般除構造通長鋼筋外,只要邊跨及柱下加厚部分需要額外加筋,故下面所有配筋結果都是摘自邊跨同一位置處)。但是這樣做,既浪費又存在安全隱患,故有必要利用地基土自身的承載能力,實現樁土的共同作用,具體方法見參考文獻[8],計算結果如圖4。


      實際現在工程中最常用的做法,對于抗拔樁筏基礎在抗拔樁受壓時的計算,往往是只考慮土來承擔上部荷載,將抗拔樁作為安全儲備,計算時按普通筏板基礎。底板配筋如圖5。


      比較上述3種底板配筋的計算結果得出,下柱墩(柱帽)的配筋是只考慮土時最大,底板邊跨的配筋是只考慮樁時的計算結果最大。原因是抗拔樁受壓時幫土分擔了一部分上部荷載,故柱下配筋減小,但底板邊畸由于受到抗拔樁的集中力作用,彎矩變大,故配筋增大。

      2.3抗拔樁受拉

      底板是水浮力控制時,筏板基礎抗浮,抗拔樁受拉。實際抗拔樁不是簡單的剛性支座,而是一- 個彈性體,在浮力作用下會被拉伸,具有一定的柔性,可以將抗拔樁簡化為彈簧模型研究四。由于考慮到實際設計時的復雜性,下面介紹兒種工程中常用的算法進行比較。

      2.3.1 JCCAD 樁筏有限元方法

      首先將CAD圖中已布置的抗拔樁導人JCCAD,PKPM2010版在樁定義中新增了抗拔承載力一項,如圖6,極大地方便了抗拔樁筏(樁承臺)的計算。要注意抗拔承載力有別于單樁承載力,因為抗拔樁不考慮端承力,而且樁周摩阻力要乘以小于1的抗拔系數,故抗拔承載力遠小于單樁承載力。


      再在JCCAD樁筏有限元分析里面模型參數中勾選底板抗浮驗算,如圖7所示。系統會增加兩個組合:標準抗浮=1.0恒-1.0浮力;基本抗浮=1.0恒水浮力組合系數x浮力,見圖8。最終結果不一定是哪個荷載組合,配筋量圖為各工況下配筋包絡值,配筋計算結果見圖9,標準抗浮下板位移圖如圖10。

      2.3.2防水板方法

      和第一種方法一樣,執行完JCCAD基礎人機交互之后,選擇第六項防水板抗浮計算,底板配筋的計算結果如圖11,權機降圖見圖12。







      和有限元方法相比,2種算法的區別主要看板僅僅用作抗浮板(柱和墻底作為支座不動),還是作為基礎的一部分(考慮柱和墻底處的位移和位移差)。通過比較板沉降圖,可見防水板計算的沉降確實比有限元小的多。

      2.3.3倒樓蓋方法

      計算水浮力下的底板配筋時,可以認為底板和土完全脫開,即按照倒樓蓋的方法計算。

      就是用pkpm模擬水浮力來計算,將底板當做普通一層樓板建模,本工程水頭83,在PM建模里輸人恒載52(83-12.5=70.5,70.5/1.35=52),最終達到讓JCCAD里的土反力達到水浮力的值,利用重心校核:平均反力-底板自重=52,再到有限元中選用倒樓蓋模型,且不計算筏板自重,得出的板配筋圖如圖13。


      2.3.4 SLABCAD方法

      這種方法也是將底板作為普通樓層一樣按無梁樓蓋建模。在SLABCAD的樓板數據生成中把水頭壓力扣除底板自重后作為樓面活載,另外在筏板上加集中荷載(其值為抗拔樁的抗拔力特征值)來模擬,如圖14。由于這個可能是需要另外收費的模塊,所以也不常使用。

      比較上述幾種方法底板水浮力下的計算結果,有限元模型下的板跨中配筋最大,下柱墩的底筋最小;防水板則與之相反;倒樓蓋的跨中配筋介于兩者之間,下柱墩的底筋一個方向最大。防水板由于不考慮底板的沉降差,底板跨中彎矩比有限元小很多,故有限元模型更接近彈簧模型,反映工程實際。當然,當底板確為防水板時,底板下增設輕質墊層,如聚苯板,可用防水板設計。


      當按F控制血板的啟動按鈕時,電源給弱電控制系統供電(直流12V),場效應管D1工作,隨后工作順序為:繼電器J1,場效應管D2,繼電器JW。JW-1自鐨繼續供電,循環泵控制器通電,電磁閥工作,冷熱水管被連通,循環系統開始運行。

      循環系統運行期間,如果按下控制面板的停止按鈕,所有電源將被切斷,循環系統停止。

      循環系統運行過程中,當熱水到達本用水處時,溫度傳感器電阻下降,場效應管D1的柵極處在低電位面停止繼電器J1的工作,場效應管D2的柵極被停止供電,由于電容放電,場效應管D2可維持數秒鐘的工作(可調),在這數秒鐘里蜂鳴器會發出哪鄘響聲,提醒用水人已有熱水可用,數秒鐘后繼電器JW停止工作,所有電源將被切斷,循環系統停止,熱水器關閉(如果不打開熱水龍頭)。用水人應該在蜂鳴器會發出哪哪響聲期間(循環系統停止之前)打開熱水龍頭,使用熱水。

      循環系統運行狀態的耗電功率為100W左右(循環泵)0W,電磁閥6W ,其他控制器4W),循環系統停止狀態的耗電功率為零。由于循環系統運行時間很矩,能耗極小。

      實施即時循環熱水需要注意的問題。①冷熱水管的布.置和常規一樣,沒有特別要求;②循環泵處要布置220V電原;③如果使用有線控制系統,需在循環泵處到用水點處布3X1.5BV線;④如果使用無線控制系統,需在用水點處布置220V電源。


      2.3工程應用

      本工程實例已使用1年,運行狀況良好,由于智能控制和操作簡便而受到住戶的歡迎,節水節能效果顯著。3問題探討和改進

      (1)若用水點溫度控制器出故障,循環系統不能停止導致循環水溫不斷升高,造成電磁閥和循環泵損壞。解決辦法:在水泵控制器增加水溫探測功能,如果發現循環泵人口水溫過高,立刻切斷所有電源,這樣可做到雙保險。

      (2)本循環系統與自來水系統相通,不屬于閉式熱水循環,不會出現因熱水系統趣壓而導致管道和設備損壞的現象,所以不需要設置超壓安全閥。

      4縮語

      本文研制的新型住宅即時循環熱水系統可以像“傻瓜"相機-樣方便使用,用戶無需專業知識,操作簡便。該系統設計簡單,創新理念先進,成本較低。由于循環系統每次運行時間很短,所以能耗極低,與其他循環系統相比節能明顯,非常值得推廣使用。

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