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抗拔桩对地下结构受力的影响

作者:来源:日期:2019-12-11 10:12:26人气:392
      1  研究背景

      地下结构设置抗拔桩进行辅助抗浮的情况越来越普遍,抗拔桩投资较高因而对地下结构的造价影响很大,关于抗拔桩本身的设计计算以及抗拔桩对地下结构受力影响的研究也并不如抗压桩那样深入,可供参阅的规范和文献[4)也不多,这无疑会对设计效率以及工程的可靠性经济性带来不利影响


      本文结合工程实例,从最为常见的明挖地铁车站和地下停车场结构设计出发,首先探讨了抗拔桩设计计算的几个常见问题,涉及到抗浮安全系数荷载分项系数裂缝宽度等,这些问题设计规范没有给出固定的答案,设计人员较容易混淆或者出错接着讨论了设置抗拔桩对地下结构受力的影响,长期以来,很多设计人员只是把抗拔桩当做辅助抗浮构件,忽略了其对结构受力的影响,造成了一定的投资浪费,最后针对越来越多的地下结构和地上结构合建的工程,即地下结构局部作用上部荷载的情况,通过三维有限元软件进行了计算分析,给出了可以直接应用于工程设计的解决方案。

      2  抗拔桩设计的几个常见问题

      2.1  抗浮安全系数

      地铁结构的抗浮安全系数目前尚无统-规定,以北京上海广州深圳、南京等城市为例,在不计侧壁摩阻力时各城市所采用的抗浮安全系数基本一致,为105在考虑侧壁摩阻力时,除上海为1.10外,其他城市均为1.15。侧壁摩阻力的计算是一个复杂的问题,一般应根据试验和地区经验确定,但鉴于目前抗拔静载试验积累的基础数据较少,亦没有形成较成熟的地区经验,考虑到软粘土的流变性,建议根据文献[]的试验研究成果进行简化计算

      2.2  抗拔桩配筋

      抗拔桩配筋主要由桩身承载力以及裂缝宽度限,值控制。对于钢筋混凝土轴心抗拔桩(不设置预应力钢筋,其正截面受拉承载力应符合下式规定:


      式中,N为荷载效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值jA。为钢筋的抗拉强度设计值和截面面积。

      式()的N值建议根据表1所列的分项系数进行计算其中争议较大的是水浮力分项系数,由于各地区的差异,建议在地下水位较高的地区,将水浮力按永久荷载考虑,水头取至地表或勘察单位提供的抗浮水位,但由于水浮力受地表的限制,其分项系数应取10。,


      抗拔桩的裂缝会严重影响桩的耐久性,因此其裂缝控制-般较严格,但因抗拔桩为轴心受拉构件,对抵抗裂缝开展非常不利,若裂缝控制等级定得过高或裂缝宽度限值定得过小,将造成抗拔桩配筋率过大,经济性降低对于地 下车站,一般埋深都超过15m'在地下水位较高的地区,抗拔桩整体上位于稳定地下水位以下,当水土的腐蚀性为中等以下时,建议按照0.3mm的最大裂缝宽度限值进行裂缝控制。

      3抗拔桩对结构受力的影响

      地铁车站设置了抗拔桩后会对车站结构本身的受力产生影响851,下面以深圳地铁q号线红树湾站为例进行说明。该站为地下2层多跨箱型结构,底板埋深16.7m'顶板覆土3.C3.0m'标准段宽度41.4m,总长度达620m'是深圳市轨道交通建设历史上规模最大的车站,其抗浮问题比较突出。车站范 围内岩土分布主要为素填土淤泥质粘土粉质粘土中粗砂砾。

      根据施工现场抗拔静载试验所提供的力_位移曲线,当上拔力从0逐渐加大至4500kN时,抗拔桩上拔量达到第1个拐点,约6mp1m',故抗拔桩的弹簧刚度可近似为


      压顶梁的弹簧刚度与连续墙侧摩阻力有关,由于现场试验较困难,建议参考抗拔桩的有关试验进行类比,即侧壁允许变形量取为2mm'对应的侧壁与周围土体的摩阻力取为极限侧摩阻力的25%,压顶梁弹簧刚度计算公式为:


      式中i为连续墙极限侧摩阻力ic为连续墙自重;s为侧壁允许变形量,经计算. kmu≈5.2x10%kN/m。,

      标准组合下主体结构位移曲线及弹簧节点反力如图2,为较清楚地显示主体结构受力状况,隐藏了连续墙的有关信息


      可见,底板最大位移约4.9mm'抗拔桩最大位移约3.3mm'最大.上拔力332x9(桩纵跑=2988kN,侧壁最大位移1.3x10*m压顶梁实际受力约68kN/m底板位移满足轨道运营时的有关变形要求,抗拔桩位移与现场试验曲线较为吻合,而侧壁最大位移相当小,这表明对于本超宽车站,连续墙自重和侧摩阻力对抗浮的实际贡献较小,应重视抗拔桩的设计。

      4  有上部荷载作用时的地’下结构设计

      当地下结构的局部范围作用有上部荷载时,在.上部荷载作用区域应设置抗压的桩基承担上部的荷载,而在没有上部荷载的区域则需要设置抗拔桩来改普结构的抗浮性能,这就导致结构在分界区域存在变形不协调和应力集中现象,其结构受力分析是一个值得探讨的问题

      下面以深圳地铁。号线笔架山停车场为例进行说明该停车场南北长约725m'东西最宽处达11 8m'为地下1层多跨箱形结构,顶板覆土约2m底板埋深约10.5m'[s1。由于停车场附近某工业区升级改造,有一条车行匝道桥需设置在停车场结构的上方,匝道桥的桥墩与停车场的结构柱合用桥梁建设单位提供的车行匝道桥传递至停车场顶板处的荷载见表2。


      选用SAP2000有限元计算程序对停车场主体结构进行三维模拟分析,顶板厚700~900mm'底板厚80-000mm立柱为600x 1000矩形柱,有桥墩的地方立柱改为φ1500圆柱底板每个立柱下均设置了φ 1200抗拔桩,有桥墩的地方则设置φ 1500受压端承桩,其计算模型如图4(仅显示3跨)。


      底板下设置竖向的仅受压面弹簧模拟地基作用,弹簧刚度按地质勘察报告取值抗拔桩按线弹簧进行模拟,根据现场抗拔静载试验取值,方法同上桥墩桩基础按中1500嵌岩桩设计,模拟时按实际刚度考虑底板 受力由抗浮工况控制,抗浮工况水位取至设计恢复地面,不考虑顶板超载和其他活载

      从车行匝道桥下方底板受最大水浮力时的位移云图(略)来看,车行匝道桥下方底板与共用墩柱结合处因桥粱荷载及嵌岩桩的作用位移较小,而设置抗拔桩处位移约2- 4mm',整体有向上位移的趋势,底板在局部荷载作用下存在变形不协调

      从车行匝道桥下方底板受最大水浮力时的M22弯矩云图(略)来看,底板与共用墩柱结合处应力较集中,且大小存在突变情况,应力突变的影响范围较大当在底板与共用墩柱结合处加设底板横梁后,应力集中的范围明显减小,

      以上计算分析结果表明,当地下结构局部作用上部荷载时,由于抗拔桩和受压桩变形方向的差异,会导致地下结构底板的变形不协调和局部应力集中对于底板变形不协调,主要是受压桩和抗拔桩刚度不一所导致,可通过适当加强受压桩周边的抗拔桩刚度来加以控制对于局部应力集中,可局部加厚受压桩周边的底板或设置十字交叉梁来抵消这种不利影响。

      5结语

      本文讨论了地下结构设置抗拔桩时应注意的问题,并结合工程实例对抗拔桩本身的设计计算和抗拔桩对结构受力的影响进行了研究,得出以下主要结论和建议:

      (1)基桩拔力应根据荷载效应标准组合进行计算,不需要再乘以抗浮安全系数,侧壁摩阻力建议按有关文献进行简化计算

      (2)在地下水位较高的地区,将水浮力按永久荷载考虑,水头取至地表或勘察单位提供的抗浮水位,其分项系数应取1.0。


      (3)  对于超宽车站,连续墙自重和侧摩阻力对抗浮的实际贡献较小,应重视对抗拔桩的设计,设置抗拔桩的位置底板弯矩显著减小,抗拔桩对底板受力有明显改善作用,在进行底板配筋时应予以考虑

      (4)当地下结构局部作用上部荷载时,由于抗拔桩和受压桩变形方向的差异,会导致地下结构底板的变形不协调和局部应力集中,应适当加强受压桩周边的抗拔桩刚度,局部加厚受压桩周边的底板或设置十字交叉梁来抵消这种不利影响。


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