承台厚度变化对承台剪切和桩顶反力影响的模拟分析

承台厚度变化对承台剪切和桩顶反力影响的模拟分析

鲁成飞

（广州市番禺城市建筑设计院）

摘要：以某高层住宅为研究对象，利用YJK 3.1.1有限元计算软件建立“剪力墙-桩承台基础”分析模型。通过改变计算承台厚度进行模拟，分析承台剪切和桩顶反力的变化。计算统计结果表明：承台厚度的变化会对本身承台的剪切产生较大的影响，桩顶反力的影响较为有限，结构设计过程中应按实际综合考虑。

关键词：承台厚度；承台剪切；桩反力；模拟分析

1 引言

历年地震震害资料显示，基础因地质的复杂性，属于结构的薄弱环节之一，其破坏是影响建筑使用的重要环节。承台是连接桩与柱或墩的平台，承受墩身传递给下部的荷载，同时也承受下部反力。

在高层住宅建筑进行基础设计过程中，预制桩承台基础具有施工上的便利性，是非常常见的基础形式。本文通过选取高层住宅中的一承台进行分析计算，采用YJK3.1.1建立上部结构、基础共同作用模型。通过仅改变承台的厚度，模拟分析承台厚度变化对承台剪切和预制桩桩顶反力影响。

2 工程概况

本工程位于某市产业转移园内,场地规划拟建住宅楼，建筑上部结构以及下部的基础设计使用年限50年。项目来源于其中一栋，结构体系为剪力墙结构。地上26层，地下2层，与地下车库连接在一起。楼层高度79.050m（已含室内外地坪高差），楼层建筑面积，嵌固部位位于基础顶。

表1 工程基本参数

注：高度H＞60m时，风荷载承载力验算时按对应规范要求（基本风压值“”）

建筑物安全等级为一～三级，对差异沉降敏感。依据地勘报告及《岩土工程勘察规范》第3.1.1～3.1.4条，判定建筑场地工程重要等级、场地复杂程度均为为二级。基础采用桩基础，建筑物的变形为基础的整体倾斜、相邻基础的沉降差，承台底面埋深约为底板以下0.750～1.500m。

上部结构的抗震四级，负一层同上部要求；负二层不计算抗震，抗震构造等级为四级。设计主要恒载按实际取值，板面活荷载按《建筑结构荷载规范》确定。

图1  基础整体平面

3 基础计算模型及相关计算参数

根据岩土地勘报告显示揭露，各岩土层距地表埋深较大和厚度的范围较大，本工程地质情况较复杂，场地属于地震一般地段。场地最上层为素填土，其次为有机质土，之后为粘土（包含粉质粘土、含砾粉质粘土），再往下为砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化土状花岗岩、强风化块状花岗岩，最底部为中风化花岗岩。

为尽可能准确反映基础受力状态，将上部结构、相关范围内的地下室、基础建立实体单元计算模型，上部计算参数按对应规范设置。基础计算选取轴12对应的CT1（多桩承台）为研究对象，该承台上部有两片墙，下部有15条桩。桩基采用高强预应力管桩承台基础，桩基础类型及特性的相关参数均根据对应国家规范和地勘报告确定。

表2  桩基础类型及特性

4 承台厚度对承台剪切的影响

4.1 承台剪切的计算原理

根据《建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)》第5.9.10条验算公式：

   ；           ；      

式中 —不计承台及其上土自重，在荷载效应基本组合下，斜截面的最大剪力设计值； —承台混凝土轴心抗拉强度的设计值； —承台计算截面处的计算宽度； —承台计算截面（不利截面）处的有效高度； —承台剪切系数； —截面剪跨比； —受剪切承载力截面高度影响系数。

桩基础承台设计时将承台视为完全刚性，不考虑承台内部变化，把上部结构的作用力按算式分配到桩顶。地基受力后把内力反作用于桩顶，对承台产生剪切。本工程承台剪切验算的不利截面为墙柱根部断面，与规范相符合。经计算，满足承台剪切计算的最小厚度时1100mm。

4.2 承台剪切的计算分析

墙边存在多排桩时，每一排桩都要进行受剪承载力计算。模拟过程中，改变模型中承台厚度（以200mm为增量），统计10组计算数据，分析承台剪切的变化规律。

表3  承台厚度变化对应承台剪切汇总

注：— 剪力设计值(kN)； —受剪截面高度影响系数 ；—混凝土的轴心抗拉强度设计值(MPa) ； —承台剪切计算截面的计算宽度(mm)； —承台剪切截面的有效高度(mm)；λ—计算截面的剪跨比；R/S-受剪验算安全系数 

计算表明，满足承台剪切计算厚度为1100mm，此时R/S=1.0。随着承台厚度不断增加，R/S不断增大，承台抗剪越来越强，厚度对剪切影响很大。当承台不满足受剪承载力时，可通过增加承台的厚度。

5 承台厚度对桩反力的影响

5.1 桩竖向力计算原理

根据《建筑桩基础规范》(JGJ94-2008) 5.1.1条，群桩基础桩顶作用效应按下式计算：

轴心竖向力作用下 

偏心竖向力作用下 

式中 —荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力；—桩基承台及承台面以上土的自重标准值，地下水位以下取浮重度；—荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；—荷载效应标准组合下基桩竖向力；、—承台底面处，荷载效应标准组合下，绕通过桩群形心的x、y主轴的力矩；、、、—第i、j 基桩形心至y、x轴的距离；—桩基中的桩数。

根据上述公式，作用于桩顶的单桩竖向力设计值与、、、以及桩群布置有关，与桩的长度、自由度等无光。但是实际由于承台本身的变形，竖向力的分配会受承台厚度影响，桩顶的竖向力各不相同，本文模拟计算过程中不考虑承台的变形。

5.2 桩竖向力计算分析

本工程计算分析的承台平面及选取的桩编号如下：角桩（1#、2#）、边桩（3#、4#）及墙下桩基（5#、6#）作为验算。桩身的内部各项受力情况不予考虑，按绝对刚度计算，桩的侧面不施加约束。

表4  承台厚度变化对桩反力汇总

根据表4的统计结果：承台厚度从1100mm增加到2900mm，角桩1#、2# 分担的竖向力平均值由1578kN增加到1767KN，增幅12％，增加较为明显；桩3#、4#、5#的竖向力基本无变化；6#桩位于墙分肢的角部，同时又位于承台中部，受力增大了8%，

6 结论

按照规范的方法，为了研究承台受力的情况，简化计算过程，承台按绝对刚体考虑。当承台厚度较大时，承台受剪有利。较厚的承台会使桩顶竖向力分配较为均匀，受力趋于合理，对角部桩基竖向力作用最明显。当承台厚度太厚时，承台质量占基础质量占比越来越大，地震发生时，承台将上部和桩连接成一个刚度比较大的整体，地震发生破坏效应也愈发明显。

基础设计过程中，承台厚度的确定需综合考虑承台的弯、剪、冲切（柱冲切、桩冲切）等，不能忽略承台厚度对桩顶竖向力受力分布的影响。为出于成本预算考虑，有时将承台设计成锥形、阶形，此时按照等效矩形截面计算，具体计算可按的《建筑地基基础规范》附录U的相关条文进行。

[参考文献]

[1] 住房和城乡建设部．建筑桩基技术规范．北京：中国建筑工业出版社．2008．

[2] 住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局．建筑地基基础规范．北京：中国建筑工业出版社．2011．

[3] 林亚超．承台的应力分析与设计[J]．国外桥梁，1981(3)：19—20．

[4] 陈竹昌，刘利民．承台刚度的研究[j]．同济大学学报，1999 (2)：34—35.