双柱联合桩基承台空间桁架设计方法

2006年4月

[文章编号]100228528(2006)02259205

建　筑　科　学

BUILDINGSCIENCE

Vol122,No12Apr.2006

双柱联合桩基承台空间桁架设计方法

熊建辉,张仲先

1

2

(1.武汉科技大学设计研究院,武汉430070;2.华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074)

[摘　要]双柱联合桩基承台多属厚承台,本文以双柱六桩承台为例,采用ANSYS三维非线性有限元分析方法,验证了双

柱联合桩基承台的传力机理也符合空间桁架模型,在此基础之上,借鉴单柱桩基承台的研究成果,提出了双柱联合桩基承台空间桁架设计方法建议。

[关键词]厚承台;双柱联合桩基承台;传力机理;空间桁架模型+

[中图分类号]TU470.3　　　[文献标识码]A

DesignMethodofSpatialTrussforDouble2ColumnCombinedPileCap

XIONGJian2hui(WuhanUniversityofScienceandTechnologyDesignInstitute,Wuhan430070,China)ZHANGZhong2xian(SchoolofCivilEng.&Mechanics,HUST,Wuhan430074,China)

[Abstract]Thedouble2columncombinedpilecapusuallybelongstothethickpilecap.Takingadouble2columnsix2pilecapasanexampleandadoptingANSYSthree2dimensionalnonlinearfiniteelementanalysismethod,thepaperhasverifiedtheconclusionthattheforce2transmissionmechanismofdouble2columnsix2pilecapisalsoconsonantwithspatialtrussmodel.Basedontheconclusionandthestudyresultsofsinglecolumnpilecap,thepropositionsofdesignmethodhavebeenpresentedforthespatialtrussmodelofdouble2columncombinedpilecap.

[Keywords]thickpilecap;double2columncombinedpilecap;force2transmissionmechanism;spatialtrussmodel

1　问题的提出

大量的试验研究表明

[1,2]

承台的距厚比一般均小于2,即多属厚承台。

近十年来,国内外针对单柱桩基厚承台空间桁

,当承台厚度较小时,

架模型理论进行研究,取得一些研究成果。单柱桩基厚承台传力机理符合空间桁架模型,即以柱头至桩顶区域的混凝土为斜压杆,以桩顶条带钢筋为拉杆所构成的空间桁架。对于双柱联合桩基承台,首先要弄清其传力机理是否也符合空间桁架模型?只有先明确了这一点,才能将单柱桩基厚承台的研究成果应用到双柱联合桩基承台上去。无论是单柱或双柱桩基承台,都是点荷载作用下的桩基承台,按推理,双柱联合桩基承台的传力机理也应符合空间桁架模型。

本文采用有限元分析方法予以验证,在此基础之上,提出双柱联合桩基承台空间桁架设计方法的建议。

其破坏带有较明显的弯曲破坏特征,薄承台的破坏形态以弯曲破坏为主;当承台厚度较大时,其破坏带有明显的冲切破坏特征,厚承台的破坏形态主要是冲切破坏,是典型的脆性破坏;因此,建立在梁板设计理论基础之上的桩基承台现行规范设计方法用于以弯曲破坏为其主要特征的一般承台具有一定的合理性,但用于厚承台不尽合理。

通常将柱子周边(若为方柱,则按周长相等原则折算成圆柱)至桩中心的水平距离w与承台有效厚度h0的比值,即距厚比λ(λ=wΠh0)的大小作为判别承台破坏形态的界限(即厚承台与一般承台的界限)的依据,其具体界定尚未统一,根据文献[3]经过大量计算分析,认为λ>2时,承台属弯曲破坏,λ≤2时,承台为冲切破坏,即为厚承台;双柱联合桩基

[收稿日期]2005212209

[作者简介]熊建辉(19712),男,工学硕士,工程师,

2　有限元分析

双柱矩形六桩承台是双柱联合桩基承台受力较为典型的一种情况,本文采用ANSYS有限元分析软件对图1所示的双柱六桩承台传力机理进行三维非

国家一级注册结构工程师

[联系方式]leeredstar9999@yahoo.com.cn

60建筑科学第22卷

线性有限元分析。

设定承台厚度1000mm,有效厚度h0=900mm,承台底部沿桩基中心连线的一定范围内(2D,D为桩直径426mm)配置纵横两个方向的钢筋条带,取x

2

轴方向条带配筋量Asx=012%(2D)h0=1534mm,y轴方向条带配筋量Asy=014%(2D)h0=3067mm。为避免应力集中,截取一定高度(如500mm)的柱头作为加载平台,柱头与承台整体相连,由双柱传至承台的荷载(P1、P2)以均布荷载形式加于柱头的顶部。桩基实为具有一定竖向支承刚度的弹性支承,为简化分析,不考虑桩身轴向变形的影响,桩的底面视为固定约束,桩身与承台整体相连。柱、桩及承台的混凝土强度均取C30。

2

(MKIN),所需给定的混凝土单轴受压下的应力2应

变曲线及其数据点分别见图2及表1

[4]

。

图2　混凝土单轴受压应力2应变全曲线　表1　C30混凝土单轴受压应力2应变曲线数据点

数据点

12345

σ(MPa)

1524302922

ε

0100050100101002010025010038

混凝土的破坏准则采用Solid65提供的W2W五

参数强度模型,所需设定的混凝土材料参数除Ec和μ外,还有四个参数列于表2:

表2　混凝土材料参数设置

张开裂缝的剪切传递系数(ShrCf2Op)

闭合裂缝的剪切传递系数(ShrCf2Cl)C30混凝土单轴抗拉强度(UntensSt)C30混凝土单轴抗压强度(UnCompSt)

0151101143(MPa)1413(MPa)

为使计算易于收敛,令单轴抗压强度UnCompst=-1,以关闭压碎检查。混凝土材料的本构关系及

图1　双柱六桩承台结构布置图

破坏准则的命令流代码如下:

TB,MKIN,1　!定义本构关系

TB,MODIF,1,010005,01001,01002,010025,010038TB,MODIF,1,15E6,24E6,30E6,29E6,22E6TB,CONCR,1　!定义破坏准则TB,DATA,1,015,110,1143E6,-1

由于仅对承台的传力机理进行定性分析,考虑建模方便,采用钢筋混凝土整体式有限元模型,并选用ANSYS单元库中的八节点六面体单元———Solid65建模。其中,在承台底部配置纵筋的区域使用带筋的Solid65单元,其余无筋区(包括柱头及桩身)设置为无筋Solid65单元。取六面体单元边长为100mm,经计算,带筋的Solid65单元沿X、Y、Z三个

构建承台实体几何模型,使用体映射网格划分,

生成承台有限元模型。划分网络,生成有限元模型的命令流代码如下:

ESIZE,011　!划分网格,生成有限元模型MSHAPE,0,3DMSHKEY,1VMESH,ALL

ρρ方向的体积配筋率分别为ρx=118%,y=316%,z=0。此为带筋Solid65单元所需给定的实参数(real

constants)。

混凝土材料的本构关系采用Solid65单元提供的弹塑性材料本构关系———多线随动硬化模型

承台有限元模型如图3所示。承台传力机理有限元分析全过程的命令流见文献[5]。

第2期熊建辉,等:双柱联合桩基承台空间桁架设计方法

61

布情况(图中斑点表示有裂纹的地方)分析可知,承台底部无筋区域混凝土已出现开裂,混凝土带缝工作,主拉应力向钢筋条带范围集中,故可将配置在承台底部桩顶之间的钢筋条带视为拉杆。承台柱头至桩顶之间混凝土形成的斜压杆及其底部钢筋条带形成的拉杆共同构成了承台的空间桁架模型,即双柱

图3　承台有限元模型

3　有限元计算结果及其分析

根据有限元计算结果,采用图象显示的方式观察承台内部的主应力分布情况,图4、5分别为柱桩(AB、AC)连线范围的纵剖面最小主应力分布图,由图上可以看出,主压应力均集中分布在柱头与桩顶连线的一定范围内(即主压应力流),在承台内部形成了明显的斜压杆。

联合桩基承台的传力机理也符合空间桁架模型。根据承台传力机理,建立双柱六桩承台空间桁架模型如图8所示。图6　承台底部配筋层最大主应力(主拉应力)分布图

图4　柱桩(AB)纵剖面最小主应力分布图

图7　承台底部裂纹分布情况

图8　双柱六桩承台空间桁架模型

图5　柱桩(AC)纵剖面最小主应力分布图

图6为承台底部配筋层最大主应力(主拉应力)

分布图,从图上可以看出,主拉应力集中分布在桩顶之间配筋的条带范围内(即主拉应力流),且短边方向的主拉应力大于长边方向的主拉应力,无筋区域混凝土的拉应力小于混凝土轴心抗拉强度(C30,ft

2

=1143NΠmm),结合图7所显示的承台底部裂纹分

4　双柱联合桩基承台空间桁架设计方法建议

　　承台的平面尺寸由双柱的柱距、桩中心距,以及

桩中心至承台边缘的最小距离等因素确定,承台平面尺寸确定之后,承台的设计主要是承台厚度的确定及配筋计算。与单柱桩基承台设计一样,按空间桁架理论计算双柱联合柱基承台最后归结为计算桁

62建筑科学第22卷

架各杆的内力,验算承台斜压杆承载力,以及按轴心受拉构件计算拉杆配筋量。双柱联合桩基承台空间桁架模型一般均为超静定桁架,其内力计算需首先设定混凝土斜压杆及钢筋拉杆截面尺寸,借鉴单柱桩基承台的研究成果,参考文献[6],取斜压杆截面

πD2Π面积为016倍的桩截面面积(4,D为桩直径),

钢筋条带拉杆截面面积按As=ρ(2Dh0)设定(配筋率ρ试取013%～017%),最后按轴心受拉强度验算确定。斜压杆承载力计算公式参考文献[3,7,8]选用。设计方法及步骤如下:

(1)确定承台平面尺寸;

(2)确定承台空间桁架模型计算简图;(3)按厚承台距厚比λ=wΠh0≤2,初步设定承1659612N;6杆N6=22974N;16杆N16=34194N。

经验算,1～4,5、7,6杆不能满足抗拉强度设计

2

要求,即Ni>Asfy(钢筋HRB335,fy=300NΠmm)。参考各杆拉力值,增大拉杆钢筋截面面积,其中,取1～4杆As=4220mm;5、7杆As=5627mm;6杆As=7680mm。重新计算桁架各杆内力,并验算钢筋

2

2

2

拉杆抗拉强度,经验算,满足设计要求。

台厚度h≥h0+100(w按最长的一根斜压杆计算);

(4)设定斜压杆及钢筋拉杆截面尺寸,按空间桁

架内力分析专用程序或ANSYS通用程序计算桁架各杆内力;

(5)验算钢筋拉杆抗拉强度:Ni≤Asfy;

(6)按斜压杆承载力计算公式验算混凝土斜压

[9]

杆承载力:Ni≤P。

若经第5、6步验算不能满足设计要求,则需调整承台配筋量及承台厚度,重复第4、5、6步计算,直至满足设计要求为止。

图9　双柱六桩承台结构布置图

5　算　例

12层钢筋混凝土框架结构办公楼,平面布置为

内廊式三跨四行柱布置方式,夯扩桩桩基础。中跨柱距为214m,采用双柱联合桩基础。桩径480mm,柱截面尺寸为650mm×650mm。经计算采用双柱六桩承台,承台混凝土强度等级C30。承台结构平面布置见图9所示。511　按空间桁架设计方法计算承台空间桁架模型计算简图如图10所示,按厚承台距厚比λ=wΠh0≤2,h0≥wΠ2=1537Π2≈770mm(w按最长斜压杆⑩计算),初步设定h=1000mm>

h0+100=870mm;取混凝土斜压杆截面面积Ac=

2

πD2Π016(4)=011036m(杆8～15)。

图10　空间桁架模型计算简图

钢筋拉杆1～4,5、7,6,16分别按014%,015%,017%及012%的配筋率ρ初步设定钢筋截面面积As=ρ(2Dh0),按空间桁架内力分析专用程序计算各杆内力,得1～4杆Nmax=124463N;5、7杆N517=

承台底部钢筋沿x、y轴两个方向按集中于桩顶连线区域配置,钢筋分布范围取2D(D为桩直

[3,7,8]径),配筋方式参见图1,承台实配钢筋见表3。

按文献[3]提供的斜压杆承载力计算公式计算斜压杆承载力,斜压杆最大轴压力

Nmax=N8,9=2616578N　　斜压杆承载力

P=πDph0ftsβ

第2期熊建辉,等:双柱联合桩基承台空间桁架设计方法

63

=π×480×900×(114×1143)×112=3260457N>Nmax=2616578N

基础比较合理;基于单柱桩基承台规范设计方法的算法与厚承台的传力机理不相符合,其理论基础不尽合理。在材料用量方面,对此算例,两种算法的材料用量相差不多,基于单柱桩基承台规范设计方法的钢筋用量稍多(约为10%)。

　　承台厚度取h=1000mm满足斜压杆承载力(即承台冲切承载力)设计要求。

表3　承台配筋表

部　　位

底部中间条带

短边方向

底部边条带长边方向

底部边条带顶部中间条带

钢筋截面面积

(mm)768056274220955

16

2

实　　配

○⊥25(78mm2)○2×11⊥25(00mm2)○

2×9⊥25(4418mm2)

○11⊥14(1693mm2)

6　结　语

单柱桩基承台空间桁架设计理论的研究已取得

一定成果,本文主要采用有限元分析方法,验证了双柱联合桩基承台的传力机理也符合空间桁架模型,从而为将单柱桩基承台空间桁架设计理论的研究成果推广应用于双柱联合桩基承台的设计提供了理论依据;本文对双柱联合桩基承台空间桁架设计方法进行了初步探讨。

[参考文献]

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512　按基于单柱桩基承台规范设计方法的算法计算

我国现行基础设计规范对双柱桩基承台的设计

尚没有具体规定,PKPM系列基础设计软件JCCAD及文献[10]提出了基于单柱桩基承台规范设计方法的算法,该法的基本思路是将双柱联合桩基承台视为具有双柱外接矩形截面的单柱桩基承台,按单柱桩基承台的计算公式对承台双柱外接矩形边界处进行受冲切承载力计算及斜截面受剪承载力验算,以确定承台厚度;在承台长边方向,取桩基净反力(视为集中荷载)作用下的单跨双伸臂梁为计算简图,在承台短边方向取桩基净反力作用下的悬臂梁为计算简图,进行承台的受弯承载力计算,以确定承台配筋。对此算例,为了与本文提出的计算方法对比,仍取承台厚度h=1000mm,经验算,满足受冲切及受剪承载力要求。根据承台受弯承载力计算,得承台

2

⊥底边方向的配筋量为As=10341mm,选用21○

学报,1995,23(3):115～122.

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○(选用42⊥2520618mm2)。

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厚承台的传力机理符合空间桁架模型,对于厚

承台,双柱联合桩基承台空间桁架设计方法的理论

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