高層剪力墻結(jié)構(gòu)地基反力計(jì)算及預(yù)應(yīng)力管樁、承臺(tái)優(yōu)化

張帆

摘要：實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)單樁承載力較小，導(dǎo)致樁位布置困難，能否找到某些方法，既保證安全性又使得樁總數(shù)以從根本上方便排布。

關(guān)鍵字：地基反力優(yōu)化 樁數(shù)優(yōu)化

一、布樁的一般方法

高層剪力墻結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)我們通常采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM軟件中JCCAD模塊，對(duì)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算并按各種工況下產(chǎn)生的基底內(nèi)力進(jìn)行組合加總，結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告當(dāng)中確定的單樁反力，完成布樁并進(jìn)行承臺(tái)與地基梁等一系列基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，而這是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的設(shè)計(jì)過(guò)程，因此樁布置的結(jié)果直接會(huì)影響到整個(gè)基礎(chǔ)，自然也會(huì)影響基礎(chǔ)的總造價(jià)及工期。傳統(tǒng)方式中通過(guò)疊加每個(gè)單片墻肢的軸力、剪力、彎矩（主要是軸力）最大值得到該剪力墻的總和，而這種方法看似滿足了安全方面的需求，但卻對(duì)成本不利，更多的樁數(shù)自然會(huì)導(dǎo)致樁的布置更加密集，有可能樁間距較小發(fā)生對(duì)周圍樁的擠土現(xiàn)象，實(shí)際工程中甚至可擠出1米多，不僅不滿足規(guī)范規(guī)定的樁間距，甚至?xí)l(fā)生廢樁因而需要補(bǔ)樁的情況，嚴(yán)重影響基礎(chǔ)施工和結(jié)構(gòu)安全，因此就產(chǎn)生了一個(gè)悖論：在設(shè)計(jì)角度看似更加安全更加可靠的布樁方法，在施工的過(guò)程中以及后期的使用階段反而存在可能的安全隱患，更何況于工程造價(jià)也沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

如何才能更準(zhǔn)確更有效的把握樁數(shù)從而徹底改善這個(gè)問(wèn)題呢？我們必須從設(shè)計(jì)的原理及具體的計(jì)算中找出答案。

二、實(shí)際地基反力最大值計(jì)算及比較

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)于地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的抗力條款3.0.5及3.0.6分別提供了要求和具體計(jì)算：

1.  正常使用極限狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值S_k應(yīng)按下式確定：

S_k=S_Gk+S_Q1k+ψ_c2*S_Q2k+…+ψ_cn*S_Qnk  （1）

     式中：S_Gk——永久作用標(biāo)準(zhǔn)值G_k的效應(yīng)；

           S_Q1k——第i個(gè)可變作用標(biāo)準(zhǔn)值Q_ik的效應(yīng)；

          ψ_ci——第i個(gè)可變作用Q_i的組合值系數(shù)。

2.  準(zhǔn)永久組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值S_k應(yīng)按下式確定：

S_k=S_Gk+ψ_q1*S_Q1k+ψ_q2*S_Q2k+…+ψ_qn*S_Qnk  （2）

式中：ψ_qi——第i個(gè)可變作用的準(zhǔn)永久值系數(shù)。

3.  承載能力極限狀態(tài)下，由可變作用控制的基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值S_d，應(yīng)按下式確定：

S_d=γ_GS_Gk+γ_Q1*S_Q1k+γ_Q2*S_Q2k+…+γ_Qn*S_Qnk  （3）

式中：γ_G——永久作用的分項(xiàng)系數(shù)；

      γ_Qi——第i個(gè)可變作用的分項(xiàng)系數(shù)。

對(duì)應(yīng)JCCAD中輸出的荷載組合為“荷載+活載”、“恒載+風(fēng)載”、“恒載+活載+風(fēng)載”、 “恒載+風(fēng)載+活載”、 “恒載+活載+水平地震作用+豎向地震作用” 、 “恒載+活載+風(fēng)載+水平地震作用+豎向地震作用”。

以廣東某高層剪力墻結(jié)構(gòu)中墻為例，圖1所示5833+1798+1796KN，三片墻肢分別為“荷載+活載”+“恒載+風(fēng)載+活載”+“恒載+風(fēng)載+活載”的結(jié)果，顯然三者不是同一工況，三片墻肢不可能同時(shí)達(dá)到各自的最大軸力狀態(tài)；圖2采用各個(gè)工況先分別加總再選出最大軸力，顯然要合理得多，也使得最大軸力減小到4261+1798+1796KN，而這減小的1572KN內(nèi)力足以使得該墻底樁數(shù)由原來(lái)的6樁減少為5樁，承臺(tái)也相應(yīng)的減?。ㄈ鐖D3左變成圖3右）。

              圖1                             圖2

圖3

三、實(shí)際案例比較

    圖4                                圖5

圖4為采用最大軸力N_max的結(jié)果進(jìn)行布樁，如果按這種方式總共需要175根預(yù)應(yīng)力管樁，而圖5為采用單片墻下加總之后取最大值的結(jié)果，該方式只需要157根樁，可節(jié)省造價(jià)10%。

不僅樁數(shù)有所減少，圖中還可以明顯看出相應(yīng)的承臺(tái)面積也相應(yīng)的縮小了，而單個(gè)承臺(tái)當(dāng)中，樁相對(duì)于剪力墻更加緊密，而當(dāng)豎向構(gòu)件與樁之間的距離太大時(shí)還需要增加承臺(tái)厚度，因此對(duì)于承臺(tái)的成本也有提高。

    前文所提到的樁間距較小的問(wèn)題在本次對(duì)樁的優(yōu)化當(dāng)中也有個(gè)比較明顯的體現(xiàn)，最下一排樁就存在此問(wèn)題，而現(xiàn)場(chǎng)如果出現(xiàn)意外，作為設(shè)計(jì)人員甚至無(wú)法找到合適的位置補(bǔ)樁，處理起來(lái)會(huì)非常麻煩，不僅僅安全性更差，還非常耽誤工期。

四、結(jié)論

雖然只是樁基礎(chǔ)一個(gè)看似不起眼的小問(wèn)題，也可能造成一些不必要的麻煩，很多時(shí)候設(shè)計(jì)人員單純憑著自己的第一感覺(jué)以為多打樁就會(huì)有更好的安全性，實(shí)際上具體工程現(xiàn)場(chǎng)往往并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。這個(gè)調(diào)整的好處就在于保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)也保證了施工的安全，還可以減少成本，縮短工期，也希望更多的在設(shè)計(jì)界進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]PKPM使用說(shuō)明書。北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院，2010

[2]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50007-2011。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011