多樁承臺間連系梁對樁基受力的影響研究

何姣云 周衛國

1. 湖北水利水電職業技術學院 湖北 武漢 430070；2. 武漢凱迪電力工程有限公司 湖北 武漢 430223

工業設備支架一般采用有立面斜撐的鋼支架，鋼柱腳處有巨大的豎向荷載、水平荷載及彎矩，需通過承臺傳遞至基樁。基樁具有較大的豎向荷載承載能力及較小的水平荷載承載能力。為適應這些傳力特點，工程上一般采用增加基樁數量、采用聯合基礎、設置連系梁等方案解決[1-4]。但增加基樁數量或采用聯合基礎都造成工程造價的大幅增長，而對于在多樁承臺間設置連系梁，現行設計規范沒有給出明確的設計方法。本文結合樁基礎工程設計實例，采用數值模擬方法，對工業建筑多樁承臺間連系梁在設計中所涉及的問題進行分析和探討，結果可供相關設計人員參考。

1 研究背景

1.1 設計規范中多樁承臺間連系梁設置規定

目前，主要設計規范對多樁承臺間連系梁設置的規定不夠詳細。GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》 規定，樁基承臺之間宜沿2個主軸方向設置基礎連系梁，但沒有規定連系梁的設置位置，也沒有給出連系梁的計算方法以及構造規定。GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》和JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》規定，有抗震要求的柱下獨立承臺，宜在2個主軸方向設置連系梁，并給出了連系梁位置要求和構造配筋方面的規定，但并沒有給出計算方法。

1.2 工業建筑設計過程中連系梁設置現狀

由于設計規范對多樁承臺間連系梁設置的規定不夠詳細，因此，各設計院對于多樁承臺間連系梁設置的實施并不一致，體現在是否設置連系梁、連系梁設置位置、連系梁如何參與鋼支架柱底荷載的傳遞等方面。

關于是否設置連系梁的問題：部分設計院主張不設置連系梁，采用增加樁數，或者設計成聯合承臺的方案；也有通過設置連系梁以滿足規范規定的抗震要求，并傳遞鋼支架柱底荷載的水平力。

關于連系梁設置位置的問題：有些項目的連系梁設置在鋼柱底附近（即混凝土短柱柱頂）；有些設置在承臺頂部附近；還有的設置在承臺底部位置[5-6]。

關于連系梁如何參與鋼支架柱底荷載的傳遞問題：有些項目設置連系梁的目的僅是為了滿足規范的抗震要求；有些設計院認為連系梁能傳遞鋼支架柱底荷載的水平力；有些設計院認為連系梁不僅能傳遞水平力，還能平衡彎矩（樁頂平面處的彎矩使各基樁的豎向支撐力不同）[7-8]。

2 工程實例

本文以一個已成功實施的火力發電廠鍋爐鋼支架的柱腳受力分析為案例，與數值計算結果進行對比分析。

工程實例較為復雜，為簡化分析過程，本文僅選取實例中的一種（標準組合）控制工況的x軸線方向作為分析對象，沒有考慮z方向的結構構件（已從工程實例的基樁受力分析結果中消除了z方向水平荷載對基樁豎向及水平荷載的影響）。

2.1 基樁的基本特性

根據試樁報告以及工程樁檢測報告：工程實例采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑0.8 m、樁長30 m；樁基的豎向承載力特征值為3 000 kN；水平荷載承載能力84 kN（10 mm變形對應的是112 kN，0.75×112 kN＝84 kN），正方形布樁的9樁承臺群樁綜合效應系數為1.33，群樁基礎的基樁水平承載力特征值是111.72 kN（1.33×84 kN＝111.72 kN）。

樁的水平變形系數為0.38 m-1。

2.2 承臺及連系梁的基本尺寸

承臺為6.5 m×6.5 m×2.0 m的9樁承臺，基樁樁距為2.4 m；承臺上短柱斷面尺寸為2 m×2 m，短柱頂至基樁頂的距離為4.5 m；連系梁斷面尺寸為1.25 m×0.50 m，連系梁頂面比承臺頂面低50 mm（為簡化計算，計算模型中忽略了此尺寸），如圖1所示。

圖1 樁基承臺布置示意

2.3 受力分析方法及基樁受力結果

基樁的受力分析方法：上部結構傳至承臺短柱頂的豎向荷載由各基樁平均分擔；水平荷載經連系梁傳遞，由范圍內的所有基樁平均分配；水平荷載產生的彎矩（短柱頂至基樁頂的距離h與水平荷載Fx的乘積）由各承臺的基樁抵抗。承臺及基樁編號布置如圖2所示 。

圖2 承臺、基樁編號布置

上部結構傳至承臺短柱頂的荷載如表1所示。為簡化計算，本文僅以案例中的一種（標準組合）控制工況為研究對象。

表1 標準組合控制工況荷載

基樁的反力計算結果如表2所示。

表2 基樁反力計算結果

從表2中計算結果可看出：工程實例工況下，承臺3下的基樁6的豎向荷載最大，為2 637.35 kN，水平反力為 -73.39 kN。

另外，承臺1、3下的基樁受力較小，但實際設計的樁數量偏多，是因為承臺1、3下的基樁數量是由其他工況所控制的。

3 數值分析

3.1 計算模型

連系梁位置設計3個有限元模型，分別是連系梁頂面與短柱頂平齊（圖3）、連系梁頂面與承臺頂平齊（圖4）、連系梁底面與承臺底平齊（圖5）。

圖3 連系梁頂面與短柱頂平齊

圖4 連系梁頂面與承臺頂平齊

圖5 連系梁底面與承臺底平齊

承臺模型：4個9樁承臺的尺寸均為6.5 m×6.5 m，承臺厚度2 m，間距分別為10、20、10 m，承臺短柱尺寸均為2 m×2 m，高為2.5 m；模型采用邊長為0.25 m的立方體單元。

基樁：樁距為2.4 m，樁徑為800 mm，采用彈性支座模擬基樁。

承臺間連系梁的位置分別為短柱頂、承臺頂以及承臺底，連系梁斷面尺寸均為1.25 m×0.50 m。

3.2 確定彈性支座的各彈簧系數

根據工程實際樁基檢測資料，在豎向荷載作用下，樁的典型豎向荷載-變形曲線如圖6所示。

圖6 基樁豎向荷載-變形

在基樁的豎向承載能力特征值范圍內，可近似得出基樁的彈簧系數KFy≈920 000 kN/m。

在水平向荷載作用下，樁的典型水平向荷載-變形曲線如圖7所示。

圖7 基樁水平向荷載-變形

在基樁的水平承載能力特征值范圍內，可近似得出基樁的彈簧系數KFx＝KFz≈10 000 kN/m。

3.3 其他因素

模型中沒有考慮z方向結構構件，同時也忽略了z方向的荷載，與上文中工程實例的計算基準相同。

工程實例與有限元模型計算中均忽略了承臺側面（z方向）土體和地面土體對基樁反力計算的影響，也忽略了連系梁四周土體對連系梁的摩阻力及支撐力的影響。這樣的計算方法應該可以得到保守的結果，不會對工程產生安全影響。

3.4 計算結果

從工程實例的受力分析以及有限元模型的計算結果來看，承臺以及短柱的結構計算結果均符合預期，在此不再贅述。

連系梁頂面與短柱頂平齊模型中的基樁反力計算結果如表3所示。

表3 連系梁頂面與短柱頂平齊模型中基樁反力計算結果

表3中各承臺范圍內基樁的豎向反力比工程實例更趨于平均，基樁的最大豎向反力為2 545.58 kN，較工程實例的基樁最大豎向反力降低約92 kN（3.5%）；各基樁水平反力范圍為-75.94～-71.69 kN，與工程實例相比，變化范圍為-2.3%～3.5%。

連系梁頂面與承臺頂平齊模型中基樁反力計算結果如表4所示。

表4 連系梁頂面與承臺頂平齊模型中基樁反力計算結果

表4中各承臺范圍內基樁的豎向反力比工程實例更趨于平均，基樁的最大豎向反力為2512.98 kN，較工程實例的基樁最大豎向反力降低約124 kN（4.7%）；各基樁水平反力范圍為-75.07～-71.90 kN，與工程實例相比，變化范圍為-2.0%～2.3%。

連系梁頂面與承臺底平齊模型中基樁反力計算結果如表5所示。

表5 連系梁底面與承臺底平齊模型中基樁反力計算結果

表5中各承臺范圍內基樁的豎向反力比工程實例更趨于平均，基樁的最大豎向反力為2 511.39 kN，較工程實例的基樁最大豎向反力降低約126 kN（4.8%）；各基樁水平反力范圍為-75.58～-71.91 kN，與工程實例相比，變化范圍為-2.0%～3.0%。

4 結語

工程設計中經常碰到多樁承臺間是否設置連系梁、連系梁設置位置、連系梁設置效果等爭論。本文根據已實施工程的實例數據，采用有限元方法模擬了連系梁在承臺不同高度位置的受力分析，得到多樁承臺間連系梁對承臺下基樁反力影響效果的初步規律，可以為工程師在設計多樁承臺時提供幫助。

1）設置連系梁可以起到將軸線上水平荷載平攤到各基樁的作用。

2）進一步驗證了工程實例中的設計方法（上部結構傳至承臺短柱頂的豎向荷載由各基樁平均分擔；水平荷載經連系梁傳遞，由范圍內的所有基樁平均分配；水平荷載產生的彎矩由各承臺的基樁抵抗）是合理的。

3）多樁承臺間設置連系梁能降低基樁的最大反力，但其降低幅度較小。

4）從上述模擬計算結果看，連系梁設置在承臺不同高度位置對基樁反力的影響并不大，因此，多樁承臺間設置連系梁時可以方便靈活地避讓工業建筑中常見的溝道、管道、設備基礎等。

[1] 彭建宇.樁基礎及聯系梁設計中幾個問題的探討[J].市政技術, 2007,25(5):390-391.

[2] 葉德紅,王松成.樁基礎承臺間連系梁設計分析[J].山西建筑,2003, 29(8):41-42.

[3] 謝海峰,周國順.樁基礎承臺間連系梁設計分析[J].建材世界,2012, 33(1):65-68.

[4] 李艷嘉.樁承臺間連系梁的設計分析[J].山西建筑,2012,38(18):62- 63.

[5] 操臣.樁基承臺間連系梁結構設計方法[J].江西建材,2017(6):158- 164.

[6] 張翔,吳志剛.基礎拉梁的設計研究現狀綜述[J].四川建筑,2013,33 (6):157-158.

[7] 張亮亮.結合新規范談單樁承臺及連系梁的設計[J].山西建筑, 2012,38(24):96-97.

[8] 姜姍姍.柱下獨立基礎連系梁內力分析與設計[J].湖南城市學院學 報(自然科學版),2011,20(1):24-26.