特殊工程中承臺沖切厚度設計處理方法

□文/王克峰 宋 徹

一直以來，基礎底板或承臺的厚度都是由沖切控制的。為滿足沖切安全性，承臺的厚度往往較基礎底板下皮增加較多，施工中形成各種下柱墩施工過程。這種結構方案，從規范角度偏于安全，一般情況下也不會造成多大的難度，一直是帶地下室結構的首選方案之一。但是，在一些特殊的情況下，施工過程中對于下柱墩的施工工序非常敏感，往往成為基礎施工中的難點。例如：鄂爾多斯的碧利斯風情廣場施工，由于土質堅硬，對于局部下柱墩的開挖與平整非常困難。再如：天津東疆港商貿聯檢樓的施工，由于土質很軟，局部下柱墩的開挖與平整也較為困難；同時由于工期緊，沒有時間進行長時間的下柱墩開挖施工。

1 規范背景研究

以上工程實例，都提出一個共同的問題:能否采取合理的措施，有效降低下柱墩的高度，提高施工效率。但是，從我國目前有關承臺厚度控制高度的條文來看，都是直接采用混凝土厚度指標來保證沖切的安全性。

誠然，可以采用調整樁布置，提高混凝土強度的方法來改善承臺的抗沖切性能。但是，首先混凝土強度的提高帶來水化熱提高等問題，在大體積混凝土的應用中有一定的限制，而樁布置的方案也最多保證一根樁反力在減小沖切荷載中的發揮，手段比較有限。從混凝土規范中關于沖切荷載計算公式中可以發現，在相同的受力機理下，結構抗沖切性能能夠引入鋼筋的作用。那么，是否在承臺沖切問題上，可以采用同樣的處理方法呢，需要從承臺沖切的計算原理中尋找答案。

目前，工程界對承臺沖切的計算方法，總的來說可以分為上限解法和下限解法2種觀點。

1）按照構造錯動理論，求解承載力的上限解，簡稱為上限解法。中國規范中含有承臺沖切的條文，都是按照這個理論進行的。

2）按照傳力路徑出發，構造合理的應力場，求解承載力的下限，簡稱下限解法。歐美的一些國家都是采用的這種方法求解承臺沖切問題。

從本質上說，這2種是近似的方法，都采用了塑性理論，在分析條件上都采取了一定程度的假設。

但是，由于錯動理論求解的是承載力的上限，因此其理論計算結果要高于實際承載力；錯動理論的基礎是對于較大沖跨比的情況下，柱根部位出現相對的下陷錯動機構而推論出的，在小沖跨比情況下，也就是常見的厚承臺，這一現象表現不出來。所假設的錯動機構中，變形總集中在塑形區（沖切錐范圍內），其他部分沒有變形。不同的承臺沖切面形狀復雜，受到柱與樁位的影響，而錯動理論則將這一復雜形式簡化成一個規則的圖形，也就是規范中提出的承臺沖切范圍。錯動理論假設意味著沖切面上，混凝土處于剪壓狀態，而實際上沖切面的中部，混凝土產生的是劈裂破壞。

正是由于上述各種錯動理論假設，斜截面上的受拉性能對混凝土抗沖切能力的提高沒有得到體現。因此，在承臺的沖切中，我國規范沒有加入斜截面鋼筋的作用。在實際的設計中，所有的基礎承臺或底板的沖切，都是采用混凝土直接承受的解法來進行。誠然，這種工程處理方法在一般情況下，節省了鋼筋用量，簡化了施工。但是，在一些特殊的施工，設計條件下，往往限制了工程設計人員的解決思路。

相比之下，下限解法具有優勢。

1）在下限解法中，將結構比擬為空間桁架體系，樁與柱之間的混凝土為桁架的斜腹桿，受力狀態為受壓，樁頂面上的鋼筋為桁架的受拉弦桿。受壓腹桿的兩端，是受力較為復雜的剪壓區，其尺寸基本維持在0.6倍的樁橫截面面積上。這種比擬，類似于混凝土受彎構件斜截面受剪承載力分析的比擬。因此，從這種理論出發，有效提高斜壓腹桿的承載力，就能夠提高整個空間桁架的受力性能。

2）從這種桁架理論出發，樁頂面的配筋分布不應該是均勻布置的。越靠近樁頂，能夠與斜壓腹桿形成桁架的鋼筋，將更能夠提高結構的整體性能。而這一結論，也得到了試驗的證實。有試驗表明，集中于樁頂的配筋形式，較均布配筋，承載力提高1.27倍。

3）由于鋼筋對混凝土劈裂的約束作用得到體現，因此，我國規范中所提及的厚大體積基礎中層鋼筋的作用也能夠從另一角度解釋。通長，如果按照規范的說法，厚大體積混凝土的中層鋼筋是為提高混凝土的抵抗溫度變形能力以及在施工中充當一部分架立鋼筋作用。從實際分析的角度，中層鋼筋對混凝土溫度應力的調劑作用不明顯；對混凝土的劈裂作用則能夠起到一定的積極作用。

比較我國現行的混凝土規范中與結構沖切相關的條文以及與承臺沖切相關的規范條文，可以發現，對于特殊情況下，能夠從結構基本受力性能的原理出發，采用配置部分抗沖切鋼筋的方法來減小承臺的沖切厚度，減小施工的難度，提高綜合經濟效益。

有研究表明：沖切模型中，斜腹桿混凝土的承壓能力是決定承臺沖切能力的主要因素，混凝土沖切模型可從另一個角度來計算

式中：fce是混凝土棱柱體軸壓強度設計值。而從混凝土軸心抗壓強度提高原理來分析，有效提高其側變形約束力是提高混凝土軸心抗壓強度的有效方法。

針對這種觀點，本文利用ANSYS，進行了一個四樁承臺的拓撲優化分析，質量優化控制在80%。其目的是驗證承臺中材料的實際應力分布情況。從利用效率最高原則出發，拓撲優化的結果見圖1-圖4。

圖1 結構有限元模型

圖2 結構拓撲優化分析結果（平面）

圖3 結構拓撲優化分析結果（透視1）

圖4 結構拓撲優化 分析結果（透視2）

從模型分析結果看，從柱底到樁頂之間的混凝土斜壓桿的利用效率最高。同時，此壓桿在中間部分，呈現增大趨勢，說明在此部分的混凝土受壓承載力需求要高于其他位置的壓桿。為提高其承載力，可以采用增設垂直約束鋼筋（沖切鋼筋）的方法予以加強。

2 工程實例

對于特殊條件下的施工基礎下柱墩施工，有時土方開挖的費用相當高。鄂爾多斯工程，由于土質堅硬，對于1 000mm高3 m×3 m的下柱墩，平均需要2～3名工人采用風鎬開挖2 d左右時間才能達到基礎驗收的要求。如采用大型挖掘機械配合，也需要人工1 d時間進行邊坡的修正工作。而對于像東疆港這樣軟弱土質，下柱墩的大面積開挖，同樣給施工帶來很多的困難。

針對這種工程情況，為滿足施工進度的要求，在東疆港商貿聯檢二期基礎設計中，采用增設柱下抗沖切筋的方法，減少下柱墩的設計，見圖5。

圖5 “商貿聯檢二期”基礎暗柱墩設計方案

圖5中，虛線內為暗柱墩的配筋范圍，柱墩內縱筋的配置在此范圍內進行。而填充部分則表示此部分的基礎板厚度不足以抵抗柱下沖切力的作用，需要增設沖切鋼筋來抵抗沖切力，采用GB 50010—2011《混凝土結構設計規范》中6.5.3公式計算。

統計整個工程的地下底板混凝土工程，由于采用“暗柱墩”方案，工程共減少下柱墩土方開挖60×36×0.2=432（m3）并減小相等數量的混凝土方數。其余與之相關的施工措施，如：工期、降水、基坑修整、防水鋪設接縫措施等則都相應簡化。（本工程由于特殊性，采用了預制混凝土實心方樁，因此單柱下樁數較多，柱墩較大。）

同時，可以發現，由于增設抗沖切鋼筋，基礎鋼筋用量相應增加，上述60個暗柱墩中總共增加鋼筋（筏板按照1 m計算，柱按照平均700mm計算）[0.5×2+(0.9/sin60°)×2+0.7+0.1]×4.9×10-4×20×7.8×60=17.8（t）

經過上述比較，在保證結構沖切安全的前提下，材料費、施工費用節約了較多。目前，本工程已進入上部主體施工階段。

3 方案的設想與推廣

由于第一次大面積的采用增設承臺沖切筋的方法來進行結構基礎的設計，因此在設計過程中對于多數的承臺高度依然采用了帶有一定沖切高度保證率的方法來確定基礎底板的厚度。如果在工程足夠安全的前提下，對本工程全部下柱墩的沖切設計均采用附加沖切鋼筋的做法，在保證防水板足夠厚度（500mm）的前提下，則從理論上可以減少下柱墩開挖并節約混凝土約7 000 m3。這種結果如果對于一個基礎條件相對復雜，開挖、降水、維護、工期等成本較高的地下工程，是有一定的優越性的。

4 總結

通過對規范背景的分析以及實際工程需要出發，本文對比分析了規范中針對混凝土工程不同沖切破壞的計算方法。提出了采用抗沖切鋼筋代換增厚下柱墩的基礎設計方案并將這一方案在某一特定背景的工程中進行了應用。從目前的設計效果，施工效果，經濟效果來看這種設計能夠滿足工程的安全性，同時有利于施工。在特殊的基礎施工條件下，是一種值得嘗試的方案。