預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)杯口基礎(chǔ)的問(wèn)題與探討

韓麗玲

中石化廣州工程有限公司 廣東 廣州 272100

引言

由于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)省模板、改善制作時(shí)的施工條件、勞動(dòng)效率高、施工速度快等優(yōu)勢(shì)，使得預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在石油煉化項(xiàng)目中應(yīng)用較多。工業(yè)設(shè)計(jì)中，預(yù)制混凝土柱及預(yù)制混凝土梁常用于管構(gòu)架中，本文將結(jié)合某國(guó)外項(xiàng)目用到的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，對(duì)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中遇到的杯口基礎(chǔ)進(jìn)行分析探討，為今后類(lèi)似混凝土預(yù)制構(gòu)件杯口基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外杯口基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

國(guó)標(biāo)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》從構(gòu)造措施來(lái)考慮杯口基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，并未給出明確的計(jì)算模型，無(wú)法從受力分析的角度進(jìn)行定量計(jì)算。

國(guó)外杯口基礎(chǔ)計(jì)算分為兩種，杯壁光滑時(shí)的杯口計(jì)算及杯壁鑿毛時(shí)的杯口計(jì)算。由于鑿毛杯口基礎(chǔ)的柱與杯口的連接還有許多問(wèn)題尚未解決，故本文先介紹杯壁光滑時(shí)杯口基礎(chǔ)的計(jì)算。

根據(jù)實(shí)際的預(yù)制柱在杯口中的受力，我們得到了計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 杯口基礎(chǔ)計(jì)算模型示意圖

1.1 理論推導(dǎo)

根據(jù)Canha的理論[1]研究，預(yù)制柱與杯口連接處的受力分析如下：

根據(jù)預(yù)制柱與杯口連接受力示意圖，通過(guò)力平衡方程和彎矩平衡方程求解柱子與杯口接觸位置的反力，進(jìn)行整理后得到：

對(duì)Hinf處取矩，根據(jù)力矩平衡，可以根據(jù)計(jì)算得到水平力Hsup,f的大小：

水平向主要受力鋼筋A(yù)s,hpl用來(lái)抵抗水平力Hsup,f，并且設(shè)計(jì)將其分布于lemb/3長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。據(jù)此方法，水平向受力鋼筋A(yù)s,hpl主要抵抗水平力Hinf,f，并且將其分布于2lemb/3長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。

豎向受力鋼筋A(yù)s,ypl用來(lái)抵抗豎向力Rvp，杯口中的橫墻受到了Hsup,f和 Hinf,f的壓力，這些力主要由As,hpt來(lái)承擔(dān)。

根據(jù)力矩平衡，可以得到如下計(jì)算公式。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得，這兩個(gè)水平力Hsup,f-f以及Hsup,f-t的比重分別為0.15和0.85，由此可以得到：

到此我們就得到了所有的受力，相應(yīng)的鋼筋面積也可根據(jù)受力計(jì)算得到[2]。

在杯口的橫墻處，根據(jù)Leonhardt理論，基于結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的模型可以得到如圖2所示的模型。

圖2 STRUTS-TIES計(jì)算模型

杯口角部豎向鋼筋面積計(jì)算：

次要的杯口墻中豎向鋼筋面積計(jì)算：

杯口墻體水平向受力鋼筋計(jì)算面積：

其中水平箍筋A(yù)s,hpl和As,hsl兩者可以取較大值用于所有杯口中墻的配筋。

2 工程實(shí)例

某國(guó)外項(xiàng)目中管架采用預(yù)制混凝土梁柱結(jié)構(gòu)以及杯口基礎(chǔ)的形式。本文選取800×800的柱子，基礎(chǔ)埋深1.5m（基礎(chǔ)頂面到地面距離）[3]。取某段管架采用STAAD計(jì)算，得到柱底最大荷載（kN）如下所示：

Fx Fy Fz Mx My Mz 45.386 747.97 90.504 386.22 -2.378 -220.3

2.1 歐標(biāo)計(jì)算

預(yù)制柱的插入深度為L(zhǎng)=1.2m＞1.5h=1.2m，那么水平力作用點(diǎn)y=y’=0.1L=0.12m，灌漿厚度W1=0.1m；杯口厚度hc為0.4m＞1/3(h+2W)=0.33m，杯口總長(zhǎng)度為hext=h+2W+2hc，混凝土保護(hù)層為0.075m，tanβ=0.812，混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400。根據(jù)以上公式，得到杯口計(jì)算結(jié)果Hsup,f=471.78kN；Hint,f=173.02kN ；Nbf=658.35kN。

根據(jù) STRUTS - TIES 計(jì)算模型，可以得到

至此，我們可以得到所有的受力，根據(jù)計(jì)算得到的力可以計(jì)算出杯口基礎(chǔ)各個(gè)墻的配筋大小。我們以標(biāo)號(hào)①②③④來(lái)標(biāo)示鋼筋在杯口中的位置[4]。

豎向鋼筋面積As,vp=524.47mm2①（為杯口角部的豎向鋼筋布置），選配2Φ20，As,vp=628mm2；As,vs=209.8mm2②（為次要的杯口墻中的豎向鋼筋布置）選配8Φ20，每邊4Φ20對(duì)稱(chēng)布置，As,vs=2513 mm2。

水平向鋼筋面積計(jì)算：As,hpl=646mm2-③ （為杯口墻體水平向受力鋼筋布置，分布于墻體0.3L處），選配Φ12@150， As,hpl=678mm2； As,hsl=237 mm2-④（為杯口墻體水平向受力鋼筋布置，分布于墻體0.7L處）。選配Φ8@200, As,hsl=2513mm2。

圖3 杯口配筋平面圖

2.2 國(guó)內(nèi)外杯口基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對(duì)比

國(guó)內(nèi)的杯口基礎(chǔ)要求杯壁及杯底鑿毛，但是國(guó)外杯口基礎(chǔ)分為鑿毛和光滑兩種形式。本文僅取國(guó)外光滑杯口基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。我們從柱子的插入深度、杯壁厚度、杯壁配筋三項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比，以期找到其相同及不同點(diǎn)對(duì)將來(lái)的設(shè)計(jì)有所裨益。

2.2.1 柱子插入深度：國(guó)內(nèi)分杯口基礎(chǔ)及高杯口基礎(chǔ)兩種，根據(jù)柱的截面大小據(jù)表確定。國(guó)外杯口底面確定為基礎(chǔ)頂面，即插入深度即為短柱高度。

2.2.2 杯壁及杯底厚度：國(guó)內(nèi)杯口厚度及杯底厚度根據(jù)基礎(chǔ)長(zhǎng)邊尺寸據(jù)表確定，最小為150mm；高杯口基礎(chǔ)的杯口厚度同樣由基礎(chǔ)長(zhǎng)邊尺寸據(jù)表確定，最小200mm。國(guó)外杯口基礎(chǔ)的杯口厚度同樣與柱截面大小有關(guān)，杯壁厚度hc≤1/3（h+2W），其中h為柱長(zhǎng)邊尺寸，W為柱與杯口的間距，取50mm。我們將列表進(jìn)行對(duì)比：

表1

2.2.3 杯壁配筋：國(guó)內(nèi)杯壁配筋皆由構(gòu)造確定，國(guó)外杯壁配筋皆由計(jì)算確定[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，國(guó)內(nèi)外杯口基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法相差較大，所以最終計(jì)算結(jié)果略有不同。

國(guó)內(nèi)全部采用鑿毛基礎(chǔ)，一些國(guó)外項(xiàng)目則有杯壁光滑和杯壁鑿毛兩種基礎(chǔ)形式。

國(guó)內(nèi)杯口基礎(chǔ)的插入深度與柱子的寬度有關(guān)，國(guó)外柱子插入深度則為短柱長(zhǎng)度。

杯口基礎(chǔ)的杯壁厚度均是與柱子長(zhǎng)邊尺寸有關(guān)，但是本案例中，國(guó)外杯口厚度較國(guó)內(nèi)略厚。

配筋信息，其中相差較大的為杯壁四角的配筋信息，由于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)鑿毛，故水平力能更好地傳遞給基礎(chǔ)，故杯壁的配筋較小；此例中的國(guó)外杯口基礎(chǔ)杯壁光滑，水平力由杯壁和基礎(chǔ)共同承擔(dān)，導(dǎo)致配筋較大。