混凝土裝配式基礎(chǔ)的馬蹄梁設(shè)計與力學(xué)性能分析

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司建設(shè)分公司 隴源杰 余 斌 吳 楠

隨集型、技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，裝配式基礎(chǔ)是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑[1-2]。混凝土裝配式基礎(chǔ)很早便在輸電線路工程中已有成熟的工程應(yīng)用，但因構(gòu)件截面尺寸較大、連接復(fù)雜、施工困難等原因并沒有在工程中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的混凝土裝配式基礎(chǔ)通常采用立柱與基礎(chǔ)底板通過螺栓連接，或部分工廠預(yù)制、部分在現(xiàn)場澆筑的方式。前者將上部荷載傳遞給基礎(chǔ)底板，基礎(chǔ)底板再傳到地基中，該混凝土裝配式基礎(chǔ)由于立柱同時傳遞豎向和水平荷載，導(dǎo)致基礎(chǔ)立柱與基礎(chǔ)底板連接處彎矩非常大，連接螺栓也必須采用大規(guī)格螺栓，同時也需要加大立柱截面；后者現(xiàn)場施工作業(yè)工作量較大，不能有效節(jié)約工期。

1 設(shè)計方案

馬蹄梁設(shè)計。馬蹄梁為鋼筋（或局部焊接馬蹄形型鋼構(gòu)件）混凝土梁結(jié)構(gòu)，該梁兩端設(shè)計成相互垂直的平面，在梁端加工成類似馬蹄形的結(jié)構(gòu)形式并在梁端預(yù)留螺栓孔，螺栓孔可根據(jù)荷載大小做成單孔或多孔，當(dāng)成多孔時應(yīng)沿梁軸線方向布置以增大力臂（圖1）。根據(jù)混凝土裝配式基礎(chǔ)底板、立柱的相對位置以及基礎(chǔ)荷載大小，通過承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，按構(gòu)件內(nèi)力最小的原則確定馬蹄梁在基礎(chǔ)底板和基礎(chǔ)立柱上的支撐位置，并計算該位置在基礎(chǔ)立柱和基礎(chǔ)底板支撐處預(yù)留相螺栓孔數(shù)量。同時，梁端部做成馬蹄形式，可將連接螺栓端頭藏于凹槽不露出梁表面，以便用細(xì)石混凝土灌注防腐。由于在基礎(chǔ)立柱的側(cè)向位置增加了側(cè)向支撐，可有效減小基礎(chǔ)立柱的柱身彎矩，進一步減小基礎(chǔ)立柱的截面尺寸，達(dá)到減小基礎(chǔ)立柱混凝土的用量以及構(gòu)件重量。

圖1 馬蹄梁構(gòu)件詳圖

連接設(shè)計。馬蹄梁、預(yù)制立柱和基礎(chǔ)底板的連接主要通過如下方式實現(xiàn)：鋼筋混凝土裝配式預(yù)制立柱和預(yù)制底板相互垂直，預(yù)制柱通過錨栓與預(yù)制底板進行連接；當(dāng)梁端設(shè)計成鋼筋籠不滿足承載能力極限狀態(tài)或不滿足鋼筋構(gòu)造要求時，可將梁端處更換設(shè)計為抗剪、抗彎承載能力更強的焊接型鋼結(jié)構(gòu)，焊接型鋼結(jié)構(gòu)需為馬蹄形；馬蹄梁梁端處設(shè)計成焊接馬蹄形型鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)將馬蹄梁梁中的鋼筋焊接在馬蹄形型鋼結(jié)構(gòu)上，鋼筋焊接在馬蹄形型鋼結(jié)構(gòu)上的搭接長度也滿足承載能力和構(gòu)造要求；將馬蹄形型鋼結(jié)構(gòu)在沿梁方向上的前后端做成敞口形式，并在梁的上下面預(yù)留螺栓孔和滿足構(gòu)造要求的灌注孔，以便加工馬蹄梁構(gòu)件時能將混凝土澆灌密實。

圖2 馬蹄梁及鋼筋配置示意圖

截面設(shè)計。馬蹄梁的梁身截面形式一般可采用矩形截面也可采用凹形截面，具體采用哪種形式應(yīng)在滿足承載能力極限狀態(tài)的前提下，選擇混凝土用量最省、經(jīng)濟性最好的截面形式（圖2）。上述馬蹄梁為便于安裝螺栓和螺栓防腐，在梁端位置處根據(jù)承載力及構(gòu)造要求設(shè)計成馬蹄形。

2 力學(xué)性能計算與可靠性分析

2.1 馬蹄梁構(gòu)件夾角及受力性能

計算簡圖。為進一步提升構(gòu)件及截面的合理性，通過有限元軟件按夾角α 分別為35°、45°、55°進行受力特性分析，構(gòu)件受力簡圖如圖3所示。對于不同夾角條件下，立柱頂部加載荷載按垂直荷載(kN)、水平荷載(kN)兩種工況條件開展構(gòu)件受力特性計算，其上拔、下壓工況下分別為：650、680；80、100，通過兩種工況驗算進一步對工程實際中的應(yīng)用提供保證。

圖3 計算簡圖

不同夾角及工況計算。基礎(chǔ)立柱截面為600×600mm，梁構(gòu)件尺寸為300×300mm。基于有限元軟件梁單元對35°、45°、55°三個夾角的裝配梁和裝配柱進行模擬計算，計算流程如下：下壓工況等效應(yīng)力計算結(jié)果。通過不同夾角條件下的應(yīng)力計算，夾角越大馬蹄梁與立柱的應(yīng)力越小，馬蹄梁構(gòu)件承載力越高，其作用有效性也顯著提升。其中35°時馬蹄梁應(yīng)力達(dá)到最大，最大等效應(yīng)力達(dá)到2.7MPa，立柱最大等效應(yīng)力達(dá)到6.8MPa；上拔工況等效應(yīng)力計算結(jié)果。夾角越大馬蹄梁與立柱的應(yīng)力越小，馬蹄梁構(gòu)件承載力越高，其作用有效性也顯著提升。其中35°時馬蹄梁應(yīng)力達(dá)到最大，最大等效應(yīng)力達(dá)到2.8MPa，立柱最大等效應(yīng)力達(dá)到5.4MPa。通過上述計算驗證，在于工程實踐中可適當(dāng)增大馬蹄梁和裝配式基礎(chǔ)的夾角，提升整體的承載力。

馬蹄梁和裝配式基礎(chǔ)之間采用55°夾角時，結(jié)構(gòu)承載力較高，各構(gòu)件的受力分配也比較合理。從圖4看出4根馬蹄梁交叉部位為立柱受力的薄弱部位，應(yīng)采取必要的加強措施，如加大截面、外包鋼板、提升混凝土強度等級等措施。

圖4 55°夾角下壓與上拔工況應(yīng)力云圖

2.2 馬蹄梁開槽截面計算

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，馬蹄梁與立柱的設(shè)計采用55°夾角能有效提升結(jié)構(gòu)整體的承載力。對于該條件下，構(gòu)件的截面設(shè)計主要通過開槽、不開槽計算結(jié)果比較進行確定。根據(jù)55°夾角條件結(jié)構(gòu)的支座反力計算結(jié)果，通過支座反力比較可知，構(gòu)件設(shè)計選用最大支座反力包絡(luò)值進行計算，具體數(shù)值為：立柱（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）0，17.4，621.3；馬蹄梁（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）69.4，68，101.2。將馬蹄梁構(gòu)件簡化為等效模型，使用有限元軟件進行應(yīng)力計算比較，開槽后馬蹄梁構(gòu)件應(yīng)力最大值達(dá)到20.75MPa，未開槽馬蹄梁最大值為13.59MPa，相比而言未開槽的馬蹄梁承載力及可靠性均較高，因此馬蹄梁設(shè)計選用全截面不開槽形式。

2.3節(jié)點連接計算

基于不同構(gòu)件支座反力計算結(jié)果，通過包絡(luò)反力對馬蹄梁與基礎(chǔ)連接進行核算，核算結(jié)果如下：

圖5 馬蹄梁不同截面形式應(yīng)力云圖

立柱支座節(jié)點計算。柱腳混凝土最大壓應(yīng)力σc 為2.13N/mm2，柱腳混凝土軸心抗壓強度設(shè)計 值fc 為14.30N/mm2，σc=2.13<=fc=14.30，柱 底混凝土承壓驗算滿足。受壓工況下錨栓為構(gòu)造無需計算；受拉工況時最大拉力為445.2kN 錨栓承受拉力，設(shè)計選用M36錨栓：單錨栓受拉承載力Nt 為111.30kN，單錨栓抗拉承載力設(shè)計值Ntb 為114.34kN，Nt=111.30<=Ntb=114.34，錨栓連接能夠達(dá)到預(yù)期要求。

馬蹄梁節(jié)點計算。柱腳混凝土最大壓應(yīng)力σc為0.35N/mm2，σc=0.35<=fc=9.60， 柱底混凝土承壓驗算滿足。受壓工況下錨栓為構(gòu)造無需計算；受拉工況時最大拉力為72.1kN 錨栓承受拉力，設(shè)計選用M24錨栓：單錨栓受拉承載力Nt為18.03kN，單錨栓抗拉承載力設(shè)計值Ntb 為49.35kN，Nt= 18.03<=Ntb=49.35，錨栓連接能夠達(dá)到預(yù)期要求。

3 效果分析及結(jié)論

本文研究的馬蹄形梁結(jié)構(gòu)可有效降低基礎(chǔ)立柱和基礎(chǔ)底板的內(nèi)力，減小基礎(chǔ)立柱截面尺寸，使基礎(chǔ)底板的地基反力更加均勻，進一步減小基礎(chǔ)底板的內(nèi)力，同時還可提高傳統(tǒng)混凝土裝配式基礎(chǔ)的施工效率。馬蹄形梁結(jié)構(gòu)可在混凝土裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。通過本文對裝配式基礎(chǔ)與馬蹄梁布置、截面設(shè)計以及承載力分析，驗證了該結(jié)構(gòu)形式的可行性，并通過角度的調(diào)整、截面形式的比較等方式，提升了設(shè)計的合理性和可靠性。

裝配式基礎(chǔ)及預(yù)制柱作為輸電線路中常用的結(jié)構(gòu)形式，在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用，但其自身存在的適用高度低、承載性能差、穩(wěn)定性差、節(jié)點連接困難等問題。本文通過新型馬蹄梁支撐及連接設(shè)計和計算，驗證了新型馬蹄梁與裝配式基礎(chǔ)、立柱的組合形式能夠有效提高體系的承載力、穩(wěn)定性和安裝便捷性。

本文研究結(jié)論如下：裝配式馬蹄梁構(gòu)件通過四周均勻布置的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)提升立柱承載力的效果。馬蹄梁構(gòu)件與裝配式基礎(chǔ)組合承載力隨著二者夾角的一定幅度的增加而增加，當(dāng)選用55°夾角時結(jié)構(gòu)的整體性及承載力較高；基于馬蹄梁構(gòu)件和立柱模型的構(gòu)建和計算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)薄弱部位集中在根部、柱與梁交接部位等處，可以在制作前做特殊的加強處理；基于有限元軟件對開槽和不開槽馬蹄梁進行計算發(fā)現(xiàn)，使用不開槽截面對結(jié)構(gòu)整體承載力提升更有利，工程實踐中建議采用不開槽的馬蹄梁構(gòu)件。