樁與承臺不同連接方式對樁受力影響分析

王世敏

摘 要

本文以某城市單排柱車站結構的樁為研究對象，通過建立車站承臺和樁剛接模型、承臺和樁鉸接模型和無承臺樁模型進行計算分析對比。研究表明單排柱車站結構的樁不同的計算方式對樁的位移、內力影響較大，設計時應考慮不利狀況。

關鍵詞

單排柱車站;樁;受力影響

中圖分類號： U239.5;U441 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.069

0 引言

站橋合建的單排柱單軌車站結構主要建在雙向車道路中央綠化帶內，是單軌車站常用的結構形式。為了結構有足夠的安全保證，設計時按照現行的民用建筑結構設計規范和鐵路橋涵設計規范進行了性能化設計，對不同構件采用了不同的性能水準。樁、承臺、墩柱、蓋梁和其余構件在多遇地震作用下處于彈性狀態;樁、承臺、墩柱、蓋梁在設防地震作用下處于彈性狀態，其余構件在設防地震作用下處于正截面不屈服、斜截面彈性;樁、承臺、墩柱、蓋梁在罕遇地震作用下滿足正截面不屈服、斜截面彈性，其余構件在罕遇地震作用下允許進入塑性變形狀態。性能化設計時發現，本車站結構構件只要滿足罕遇地震作用下性能狀態就可以滿足其余性能。考慮到實際連接受力狀況與《建筑地基基礎設計規范規范》計算方法不同，本文通過建立以下三種計算模型，車站承臺和樁剛接模型、承臺和樁鉸接模型，并考慮樁土共同作用，通過有限元計算分析得出在罕遇地震作用下的位移、內力;無承臺樁模型進行計算分析柱底部在罕遇地震作用下的組合內力，按照規范中的計算公式計算出樁的內力。

1 工程概況

本工程為某城市站橋合建的單排柱單軌車站結構，底部軌道層由6根矩形鋼管混凝土墩柱，矩形鋼管混凝土梁和鋼箱梁組成的蓋梁，連接蓋梁的鋼梁組成;站臺層和雨棚采用鋼結構。每根墩柱下有6樁獨立承臺作為上部結構支撐體系。抗震設防烈度為8度;地震基本加速度0.2g;場地類別為Ⅱ類;設計地震分組為第二組;設防類別為乙類;安全等級為一級。

2 建模計算

車站結構三種計算模型上部結構完全一致，采用midas gen建模，進行罕遇地震分析計算。承臺和樁剛接模型、承臺和樁鉸接模型計算時考慮承臺和樁周圍土體的水平約束，根據《公路橋涵地基基礎設計規范》附錄P中按m法計算彈性樁水平位移及作用效應，計算出作用于承臺四角及樁身的彈簧剛度，將承臺四角、樁施加水平面兩個方向的彈簧約束，本工程樁底部嵌入中風化花崗巖較深，樁底采用完全剛接約束。提取出樁頂部在X向地震作用下、Y向地震作用下的位移值和最大軸力、最小軸力以及所對應的不同方向的彎矩值、剪力值;無承臺樁模型提取出柱底部在罕遇地震作用下的最不利組合內力，按照規范中的計算公式計算出樁的最大軸力、最小軸力以及所對應的不同方向的彎矩值、剪力值。本工程X向代表順橋方向，Y向代表橫橋方向， 壓力為正，拉力為負。

3 計算結果及分析對比

3.1 X向地震作用樁頂內力對比

罕遇地震作用下三種模型計算的樁頂部在X向地震設計值如下所示：承臺和樁剛接模型在軸力最大時：N為5772kN，Mx為208kN*m，My為1457 kN*m，Vx為421kN，Vy為9kN;在軸力最小時：N為727kN，Mx為34kN*m，My為1282 kN*m，Vx為419kN，Vy為5kN。承臺和樁鉸接模型在軸力最大時：N為5800kN，Mx為193kN*m，My為193 kN*m，Vx為158kN，Vy為5kN;在軸力最小時：N為775kN，Mx為26kN*m，My為26 kN*m，Vx為157kN，Vy為4kN。無承臺樁模型在軸力最大時：N為5576kN，Mx、My均為0，Vx為359kN，Vy為15kN;在軸力最小時：N為-1088kN，Mx、My均為0，Vx為371kN，Vy為18kN。

通過數據可以看出，在X向罕遇地震作用下，承臺和樁鉸接模型與承臺和樁剛接模型相比：軸力最大時，軸力均為壓力，相差較小;繞X軸彎矩Mx的數值均較小，相差不到1%;繞Y軸彎矩My的相差較大，鉸接模型彎矩值較小，剛接模型彎矩值較大，小于剛接模型彎矩值的15%;X向剪力均較大，鉸接模型是剛接模型的37.5%左右;Y向剪力均很小，數值基本相當。軸力最小時，軸力均為壓力，鉸接模型軸力大于剛接模型軸力，相差6%;繞X軸彎矩Mx的數值均較小，相差不大;繞Y軸彎矩My的相差較大，鉸接模型彎矩值較小，剛接模型彎矩值較大，鉸接模型彎矩值是剛接模型彎矩值的2%;X向剪力均較大，鉸接模型是剛接模型的37.4%;Y向剪力均很小，數值相差不大。無承臺樁模型與承臺和樁剛接模型相比：軸力最大時，軸力均為壓力，無承臺樁模型軸力小于剛接模型軸力，相差3.4%;無承臺樁模型繞X軸彎矩Mx和繞Y軸彎矩My都為0，不做對比;X向剪力均較大，無承臺樁模型剪力小于剛接模型剪力，相差15%;Y向剪力均很小，數值相差不大。軸力最小時，無承臺樁模型軸力為拉力，剛接模型軸力為壓力，相差較大;無承臺樁模型繞X軸彎矩Mx和繞Y軸彎矩My都為0，不做對比;X向剪力均較大，無承臺樁模型剪力小于剛接模型剪力，相差12%;Y向剪力均很小，數值相差不大。

3.2 Y向地震作用樁頂內力對比

罕遇地震作用下三種模型計算的Y向地震設計值如下所示：承臺和樁剛接模型在軸力最大時：N為7047kN，Mx為1871kN*m，My為236kN*m，Vx為2kN，Vy為552kN;在軸力最小時：N為-640kN，Mx為1636kN*m，My為10kN*m，Vx為3kN，Vy為553kN。承臺和樁鉸接模型在軸力最大時：N為6808kN，Mx為227kN*m，My為227kN*m，Vx為1kN，Vy為258kN;在軸力最小時：N為-374kN，Mx、My均為0，Vx為1kN，Vy為258kN。無承臺樁模型在軸力最大時：N為5628kN，Mx、My均為0，Vx為5kN，Vy為325kN;在軸力最小時：N為-1301kN，Mx、My均為0，Vx為5kN，Vy為325kN。

通過數據可以看出，在Y向罕遇地震作用下，承臺和樁鉸接模型與承臺和樁剛接模型相比：軸力最大時，軸力均為壓力，相差較小，鉸接模型軸力比剛接模型軸力小3.4%;繞X軸彎矩Mx的相差較大，鉸接模型彎矩值是剛接模型彎矩值的12%;繞Y軸彎矩My數值均較小，而且基本相等;X向剪力均很小，數值基本相當;Y向剪力均較大，鉸接模型不足剛接模型的47%。軸力最小時，軸力均為拉力，相差較大，鉸接模型軸力是剛接模型軸力的58%;繞X軸彎矩Mx的數值差距較大，鉸接模型彎矩值為0，剛接模型彎矩值1636;繞Y軸彎矩My的差距較小，數值也小;X向剪力均很小，數值相差不大;Y向剪力均較大，鉸接模型是剛接模型的47%。無承臺樁模型與承臺和樁剛接模型相比：軸力最大時，軸力均為壓力，無承臺樁模型軸力是剛接模型軸力80%;無承臺樁模型繞X軸彎矩Mx和繞Y軸彎矩My都為0，不做對比;X向剪力均很小，數值相差不大;Y向剪力均較大，無承臺樁模型剪力是剛接模型剪力59%。軸力最小時，無承臺樁模型軸力和剛接模型軸力均為拉力，無承臺樁模型軸力與剛接模型軸力2倍;無承臺樁模型繞X軸彎矩Mx和繞Y軸彎矩My都為0，不做對比;X向剪力均很小，數值相差不大;Y向剪力均較大，無承臺樁模型剪力是剛接模型剪力59%。

3.3 承臺和樁剛接模型、承臺和樁鉸接模型樁頂位移與配筋量比較

罕遇地震作用下，剛接模型X向樁頂位移7mm，Y向樁頂位移10mm;鉸接模型X向樁頂位移8mm，Y向樁頂位移13mm。這兩個模型計算時雖都考慮了樁周土對承臺和樁的水平約束，但是在罕遇地震作用下的位移值有差距。可以看出承臺和樁剛接模型的位移值均小于承臺和樁鉸接模型位移值。X向地震作用下，鉸接模型位移值大于剛接模型位移值15%;Y向地震作用下，鉸接模型位移值大于剛接模型位移值30%。罕遇地震作用下，承臺和樁剛接模型計算出樁頂縱筋配筋量為162cm2，箍筋配筋As/S值為2.8，承臺和樁鉸接模型計算出樁頂縱筋配筋量為142cm2，箍筋配筋As/S值為2.0，剛接模型縱筋配筋量比鉸接模型縱筋配筋量大14%，剛接模型箍筋配筋量比鉸接模型箍筋配筋量大40%。

4 結論

1）承臺和樁鉸接模型與承臺和樁剛接模型相比：軸力最大時，軸力相差較小;軸力最小時，軸力值均比較小，但差值相對較大;地震作用方向彎矩、剪力均相差較大，非地震方向彎矩、剪力數值均較小，相差也小。

2）無承臺樁模型與承臺和樁剛接模型相比：軸力最大時，軸力均為壓力，X向地震時相差較小，Y向地震時相差較大。軸力最小時，X向地震作用下無承臺樁模型軸力為拉力，承臺和樁剛接模型軸力為壓力，相差較大;Y向地震作用下，軸力均為拉力，拉力值相差較大。地震作用方向剪力相差較大，非地震方向剪力數值均較小，相差也小。

3）承臺和樁鉸接模型與承臺和樁剛接模型地震作用下樁頂位移相比，承臺和樁鉸接模型樁頂位移較大;承臺和樁鉸接模型與承臺和樁剛接模型地震作用下樁頂配筋相比，剛接模型配筋量較大。因此設計時應按照兩種不同模型計算的不利狀況進行設計。

參考文獻

[1]跨座式單軌交通設計規范.

[2]城市軌道交通結構抗震設計規范.

[3]鐵路橋涵設計基本規范.

[4]建筑抗震設計規范（2016年版）.

[5]公路橋涵地基基礎設計規范.