高层剪力墙结构地基反力计算及预应力管桩、承台优化

　　张帆

　　摘要：实际工程中经常出现单桩承载力较小，导致桩位布置困难，能否找到某些方法，既保证安全性又使得桩总数以从根本上方便排布。

　　关键字：地基反力优化 桩数优化

　　一、 布桩的一般方法

　　高层剪力墙结构项目中，桩基础设计我们通常采用中国建筑科学研究院开发的PKPM软件中JCCAD模块，对上部结构计算并按各种工况下产生的基底内力进行组合加总，结合地质勘察报告当中确定的单桩反力，完成布桩并进行承台与地基梁等一系列基础设计，而这是一个环环相扣的设计过程，因此桩布置的结果直接会影响到整个基础，自然也会影响基础的总造价及工期。传统方式中通过叠加每个单片墙肢的轴力、剪力、弯矩(主要是轴力)最大值得到该剪力墙的总和，而这种方法看似满足了安全方面的需求，但却对成本不利，更多的桩数自然会导致桩的布置更加密集，有可能桩间距较小发生对周围桩的挤土现象，实际工程中甚至可挤出1米多，不仅不满足规范规定的桩间距，甚至会发生废桩因而需要补桩的情况，严重影响基础施工和结构安全，因此就产生了一个悖论：在设计角度看似更加安全更加可靠的布桩方法，在施工的过程中以及后期的使用阶段反而存在可能的安全隐患，更何况于工程造价也没有优势。

　　如何才能更准确更有效的把握桩数从而彻底改善这个问题呢?我们必须从设计的原理及具体的计算中找出答案。

　　二、 实际地基反力最大值计算及比较

　　《建筑地基基础设计规范》中，对于地基基础设计的抗力条款3.0.5及3.0.6分别提供了要求和具体计算：

　　1. 正常使用极限状态下，标准组合的效应设计值Sk应按下式确定：

　　Sk=SGk+SQ1k+ψc2*SQ2k+…+ψcn*SQnk (1)

　　式中：SGk——永久作用标准值Gk的效应;

　　SQ1k——第i个可变作用标准值Qik的效应;

　　ψci——第i个可变作用Qi的组合值系数。

　　2. 准永久组合的效应设计值Sk应按下式确定：

　　Sk=SGk+ψq1*SQ1k+ψq2*SQ2k+…+ψqn*SQnk (2)

　　式中：ψqi——第i个可变作用的准永久值系数。

　　3. 承载能力极限状态下，由可变作用控制的基本组合的效应设计值Sd，应按下式确定：

　　Sd=γGSGk+γQ1*SQ1k+γQ2*SQ2k+…+γQn*SQnk (3)

　　式中：γG——永久作用的分项系数;

　　γQi——第i个可变作用的分项系数。

　　对应JCCAD中输出的荷载组合为“荷载+活载”、“恒载+风载”、“恒载+活载+风载”、 “恒载+风载+活载”、 “恒载+活载+水平地震作用+竖向地震作用” 、 “恒载+活载+风载+水平地震作用+竖向地震作用”。

　　以广东某高层剪力墙结构中墙为例，图1所示5833+1798+1796KN，三片墙肢分别为“荷载+活载”+“恒载+风载+活载”+“恒载+风载+活载”的结果，显然三者不是同一工况，三片墙肢不可能同时达到各自的最大轴力状态;图2采用各个工况先分别加总再选出最大轴力，显然要合理得多，也使得最大轴力减小到4261+1798+1796KN，而这减小的1572KN内力足以使得该墙底桩数由原来的6桩减少为5桩，承台也相应的减小(如图3左变成图3右)。

　　实际案例比较

　　图4为采用最大轴力Nmax的结果进行布桩，如果按这种方式总共需要175根预应力管桩，而图5为采用单片墙下加总之后取最大值的结果，该方式只需要157根桩，可节省造价10%。

　　不仅桩数有所减少，图中还可以明显看出相应的承台面积也相应的缩小了，而单个承台当中，桩相对于剪力墙更加紧密，而当竖向构件与桩之间的距离太大时还需要增加承台厚度，因此对于承台的成本也有提高。

　　前文所提到的桩间距较小的问题在本次对桩的优化当中也有个比较明显的体现，最下一排桩就存在此问题，而现场如果出现意外，作为设计人员甚至无法找到合适的位置补桩，处理起来会非常麻烦，不仅仅安全性更差，还非常耽误工期。

　　三、 结论

　　虽然只是桩基础一个看似不起眼的小问题，也可能造成一些不必要的麻烦，很多时候设计人员单纯凭着自己的第一感觉以为多打桩就会有更好的安全性，实际上具体工程现场往往并没有那么简单。这个调整的好处就在于保证结构安全的同时也保证了施工的安全，还可以减少成本，缩短工期，也希望更多的在设计界进行推广。

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