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抗拔桩筏基础底板配筋的计算方法

作者:来源:日期:2019-12-24 10:43:10人气:1120
      0引离

      近年来,随着城市发展的需要,高层及超高层建筑不断涌现,基础埋置越来越深,同时,作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分、裙房或相对独立的地下结构物(如地下商场、地下车库等)的开发和利用越来越广泛,因此地下结构物的抗浮问题日益突出。在我国沿海地区曾出现过多起因地下水浮力而导致地下室破坏的事故。在这些事故中,有的地下室底板隆起,导致底板破坏;有的地下建筑物整体浮起,导致梁柱结点处开裂及底板破坏等等,直接危害使用和结构安全,应引起设计者的足够重视。另在2011版(建筑地基基础设计规范0中5.4.3条也新增了关于基础抗浮稳定性验算的规定,足见抗浮计算的重要性。故抗拔桩的应用也越来越广泛。


      1抗拔桩筏基础设计

      1.1 抗拔桩的布置

      抗拔桩基础设计首先是进行底板抗浮验算,根据抗浮水位计算水浮力,判断底板是否需要打抗拔桩;然后,结合实际工程土质情况,合理选用抗拔桩设计参数问选择合适的桩型;接着,进行抗拔桩自身的承载力设计及裂缝验算臼;.最后就是选择布桩方式和确定用桩数叫进行布桩。

      值得注意的是,抗拨桩的布置方式对底板的内力配筋影响很大,若抗拨桩集中布置在柱下,其优点是可以充分利用上部结构传来的竖向力平衡掉- . 部分水浮力,缺点是不能充分抵抗水浮力对底板产生的弯矩,地下室底板配筋较大;若是在底板下面均匀布置抗拔桩,其优点是底板配筋较小,缺点是不能充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉-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减少底板的内力和配筋,优化结构的受力特性,具体可见参考文献[6]。

      一般对于抗拔桩集中布置在柱下的情况,筏板配筋计算往往不考虑抗拔桩,直接按天然地基上的筏板计算。但是当抗拔桩布置在筏板跨中的情况,就必须要考虑抗拔桩的作用,本文着重讨论这种情况下,底板配筋的计算方法。

      1.2抗拔桩工作机理

      抗拔桩的作用,顾名思义,就是使建筑物满足抗浮稳定性要求,,抗拔桩受上拔荷载时,通过桩身将荷载传递到桩侧土。同时桩身拉应力产生于桩顶,随着上拔荷载的增加,桩顶位移也相应增加,桩身拉应力逐步向下部扩展。当桩顶部位的桩-土相对位移达到- - 定值时,认为该界面的侧摩阻力已经全部发挥,此时桩顶抗拔总阻力将逐步下降,直至破坏。故在抗拔桩筏基础中,桩的上拔荷载由桩周摩阻力和桩身自重来共同承担。

      但是,当地下室埋深较浅、地下水位又较高且变化幅度范围大时,考虑上部覆土等的较大恒载及上部消防车等的较大活载,由于水位变化,荷载组合形式不同,会出现抗拔桩转换成抗压桩的情况"。或是在施工情况下,由于采取了降水措施或者正常使用情况下地下水位较低时,也会出现抗拔桩受压的情况。就是当水位较低时,水浮力较小,结构自重大于水浮力,且已设置抗拔桩的情况,这时的上部结构荷载由桩-土共同承担,抗拔桩转换成抗压桩。

      由于地下水位的高低以及地下水范围变化莫测,抗拔桩的受力状态是在不断变化的,故抗压和抗浮是2种最极端的情况,但是设计时考虑的是荷载最不利效应,选取的也是可能出现的最大荷载。所以实际设计时,桩筏基础底板配筋设计也就需要考虑这2种极端情况。本文重点讨论桩筏基础的底板配筋计算的问题。

      2工程实例

      2.1工程概况

      某工程地下室部分为2层,主要功能为地下车库,平面尺寸及布桩方式如图1所示。


      地下1层层高3.8m,地下2层层高3.4m,标高关系详见图2。


      本工程抗拔桩选用边长300 mm的预制混凝土方桩,抗拔承载力特征值取300 kN。根据抗浮验算的结果,每根柱下平均需要4根抗拔桩,布置如图1。下面讨论底板配筋的计算,前提是桩对板的冲切满足要求。

      2.2抗拔桩受压

      当地下水位较深时,水浮力小于结构自重,桩-土共同I作用承担上部荷载(复合桩基),抗拔桩受压,筏板沉降变形,应按常规桩筏基础设计。

      由于桩、土的支承刚度存在数量级的差异,因此在相同荷载水平下,桩土变形并不协调,两者很难作为一个整体工作。也正是基于上述原因,目前常规桩基是按将上部结构荷载全部交由桩基来承担进行设计的四,底板下的土体主要起保证有足够的安全储备的作用,底板配筋的计算结果见图3(由于底板配筋一般除构造通长钢筋外,只要边跨及柱下加厚部分需要额外加筋,故下面所有配筋结果都是摘自边跨同一位置处)。但是这样做,既浪费又存在安全隐患,故有必要利用地基土自身的承载能力,实现桩土的共同作用,具体方法见参考文献[8],计算结果如图4。


      实际现在工程中最常用的做法,对于抗拔桩筏基础在抗拔桩受压时的计算,往往是只考虑土来承担上部荷载,将抗拔桩作为安全储备,计算时按普通筏板基础。底板配筋如图5。


      比较上述3种底板配筋的计算结果得出,下柱墩(柱帽)的配筋是只考虑土时最大,底板边跨的配筋是只考虑桩时的计算结果最大。原因是抗拔桩受压时帮土分担了一部分上部荷载,故柱下配筋减小,但底板边畸由于受到抗拔桩的集中力作用,弯矩变大,故配筋增大。

      2.3抗拔桩受拉

      底板是水浮力控制时,筏板基础抗浮,抗拔桩受拉。实际抗拔桩不是简单的刚性支座,而是一- 个弹性体,在浮力作用下会被拉伸,具有一定的柔性,可以将抗拔桩简化为弹簧模型研究四。由于考虑到实际设计时的复杂性,下面介绍儿种工程中常用的算法进行比较。

      2.3.1 JCCAD 桩筏有限元方法

      首先将CAD图中已布置的抗拔桩导人JCCAD,PKPM2010版在桩定义中新增了抗拔承载力一项,如图6,极大地方便了抗拔桩筏(桩承台)的计算。要注意抗拔承载力有别于单桩承载力,因为抗拔桩不考虑端承力,而且桩周摩阻力要乘以小于1的抗拔系数,故抗拔承载力远小于单桩承载力。


      再在JCCAD桩筏有限元分析里面模型参数中勾选底板抗浮验算,如图7所示。系统会增加两个组合:标准抗浮=1.0恒-1.0浮力;基本抗浮=1.0恒水浮力组合系数x浮力,见图8。最终结果不一定是哪个荷载组合,配筋量图为各工况下配筋包络值,配筋计算结果见图9,标准抗浮下板位移图如图10。

      2.3.2防水板方法

      和第一种方法一样,执行完JCCAD基础人机交互之后,选择第六项防水板抗浮计算,底板配筋的计算结果如图11,权机降图见图12。







      和有限元方法相比,2种算法的区别主要看板仅仅用作抗浮板(柱和墙底作为支座不动),还是作为基础的一部分(考虑柱和墙底处的位移和位移差)。通过比较板沉降图,可见防水板计算的沉降确实比有限元小的多。

      2.3.3倒楼盖方法

      计算水浮力下的底板配筋时,可以认为底板和土完全脱开,即按照倒楼盖的方法计算。

      就是用pkpm模拟水浮力来计算,将底板当做普通一层楼板建模,本工程水头83,在PM建模里输人恒载52(83-12.5=70.5,70.5/1.35=52),最终达到让JCCAD里的土反力达到水浮力的值,利用重心校核:平均反力-底板自重=52,再到有限元中选用倒楼盖模型,且不计算筏板自重,得出的板配筋图如图13。


      2.3.4 SLABCAD方法

      这种方法也是将底板作为普通楼层一样按无梁楼盖建模。在SLABCAD的楼板数据生成中把水头压力扣除底板自重后作为楼面活载,另外在筏板上加集中荷载(其值为抗拔桩的抗拔力特征值)来模拟,如图14。由于这个可能是需要另外收费的模块,所以也不常使用。

      比较上述几种方法底板水浮力下的计算结果,有限元模型下的板跨中配筋最大,下柱墩的底筋最小;防水板则与之相反;倒楼盖的跨中配筋介于两者之间,下柱墩的底筋一个方向最大。防水板由于不考虑底板的沉降差,底板跨中弯矩比有限元小很多,故有限元模型更接近弹簧模型,反映工程实际。当然,当底板确为防水板时,底板下增设轻质垫层,如聚苯板,可用防水板设计。


      当按F控制血板的启动按钮时,电源给弱电控制系统供电(直流12V),场效应管D1工作,随后工作顺序为:继电器J1,场效应管D2,继电器JW。JW-1自镄继续供电,循环泵控制器通电,电磁阀工作,冷热水管被连通,循环系统开始运行。

      循环系统运行期间,如果按下控制面板的停止按钮,所有电源将被切断,循环系统停止。

      循环系统运行过程中,当热水到达本用水处时,温度传感器电阻下降,场效应管D1的栅极处在低电位面停止继电器J1的工作,场效应管D2的栅极被停止供电,由于电容放电,场效应管D2可维持数秒钟的工作(可调),在这数秒钟里蜂鸣器会发出哪鄘响声,提醒用水人已有热水可用,数秒钟后继电器JW停止工作,所有电源将被切断,循环系统停止,热水器关闭(如果不打开热水龙头)。用水人应该在蜂鸣器会发出哪哪响声期间(循环系统停止之前)打开热水龙头,使用热水。

      循环系统运行状态的耗电功率为100W左右(循环泵)0W,电磁阀6W ,其他控制器4W),循环系统停止状态的耗电功率为零。由于循环系统运行时间很矩,能耗极小。

      实施即时循环热水需要注意的问题。①冷热水管的布.置和常规一样,没有特别要求;②循环泵处要布置220V电原;③如果使用有线控制系统,需在循环泵处到用水点处布3X1.5BV线;④如果使用无线控制系统,需在用水点处布置220V电源。


      2.3工程应用

      本工程实例已使用1年,运行状况良好,由于智能控制和操作简便而受到住户的欢迎,节水节能效果显著。3问题探讨和改进

      (1)若用水点温度控制器出故障,循环系统不能停止导致循环水温不断升高,造成电磁阀和循环泵损坏。解决办法:在水泵控制器增加水温探测功能,如果发现循环泵人口水温过高,立刻切断所有电源,这样可做到双保险。

      (2)本循环系统与自来水系统相通,不属于闭式热水循环,不会出现因热水系统趣压而导致管道和设备损坏的现象,所以不需要设置超压安全阀。

      4缩语

      本文研制的新型住宅即时循环热水系统可以像“傻瓜"相机-样方便使用,用户无需专业知识,操作简便。该系统设计简单,创新理念先进,成本较低。由于循环系统每次运行时间很短,所以能耗极低,与其他循环系统相比节能明显,非常值得推广使用。

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