|
李国胜 铜陵市建筑工程施工图设计文件审查有限公司 铜陵市建设工程质量监督监测有限公司 [摘要] 通过对建筑工程PHC管桩基础水平承载力计算问题分析，得出如下结论：1）为减小计算工作量，不带地下室的直径400mm、500mmPHC管桩的水平承载力可利用本文表格进行计算；2）建筑物高度大于60米时，应设地下室；3）当桩顶部周围土质较差时，直径400mm、500mm的PHC管桩水平承载力均比桩身受剪承载力小；4）在承台桩数较少（如少于16根桩）时，群桩中的基桩水平承载力Rh比单桩水平承载力Rha大，但随着桩数的增加，前者越来越小，当桩数达到某一数值以后，前者将比后者小；5）无地下室的多层建筑，抗震设防烈度不超过7度地区，当承台桩数较少（如少于16根桩），管桩单桩竖向承载力Ra不大于700KN（对于直径400mm管桩）、1000KN（对于直径500mm管桩）时，桩基水平承载力一定能满足，不需验算；抗震设防烈度8度地区，应验算桩基水平承载力；6）无地下室的高层建筑必须进行桩基水平承载力验算；7）钢筋混凝土结构在抗震设防烈度6、7度地区，地下室不少于一层时，可不验算桩基在地震作用下的水平承载力，一般情况下也可不验算风载作用下的水平承载力，但高层高宽比较大或基本风压较大时例外；钢筋混凝土结构在抗震设防烈度8度地区，地下室层数不少于两层时，可不验算桩基水平承载力，但风荷载非常大时例外；8）高层钢结构需验算桩基水平承载力。 0 引言 建筑桩基主要承受向下的竖向荷载，有时承受抗拔荷载（如纯地下室或上部荷载较小的地下室受水浮力作用时）和水平荷载（在风载作用或地震作用时）。相应地需计算单桩（基桩）竖向承载力特征值、抗拔承载力特征值和水平承载力特征值。单桩（基桩）竖向承载力特征值和抗拔承载力特征值计算简单，但水平承载力特征值计算很复杂。本人在长期审图工作中，发现很多工程未进行桩基水平承载力计算，或者在使用程序计算书时随意输入单桩（基桩）水平承载力特征值，导致计算错误。由于管桩强度高，在地质情况较好时，竖向承载力较大，但由于桩径较小且为空心桩，水平承载力和桩身抗剪承载力较低，有些工程不进行桩基水平承载力计算可能是安全的，但有些工程可能不安全。本文对建筑工程管桩水平承载力问题进行分析。 1 管桩基础水平承载力计算 （1）管桩基础水平承载力计算公式 按《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJ /T406—2017）[1](简称管桩标准）第5.2.2条，单桩水平承载力验算应符合下列规定： 1）不考虑地震作用效应组合的标准值： Hik≤Rh （1） 2） 考虑地震作用效应组合的标准值： Hik≤1.25Rh （2） 式中：Hik为按荷载效应标准组合计算的作用于第i基桩的水平力（KN），按管桩标准第5.2.1条第3款计算，Hik= Hk/n，Hk为按荷载效应标准组合计算的作用于桩基承台底面的水平力（基底剪力），n为群桩基础中的桩数；Rh为单桩基础或群桩中基桩的水平承载力特征值，对于单桩基础，可取单桩的水平承载力特征值Rha。 （2）单桩水平承载力特征值Rh 的确定 1）管桩标准第5.1.5条规定：对于受水平荷大的设计等级为甲级、乙级的管桩基础，应通过现场单桩水平静载试验确定单桩水平承载力特征值。试验宜采用单向多循环加载法或慢速维持荷载法，按现行行业标准《建筑基桩检测技术规范》[2]（JGJ106-2014）执行。按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[3](简称桩基规范）第5.7.2条第2款规定，可根据静载试验结果取地面处水平位移为10mm（对于水平位移敏感的建筑物取水平位移6mm）所对应的荷载的75%作为单桩水平承载力特征值。 2）管桩标准第5.2.11条规定：当管桩的水平承载力由水平位移控制，且缺少单桩水平荷载试验资料时，除A型管桩外，可按变形控制采用采用下列公式估算管桩基础单桩水平承载力特征值： Rha=0.75(α3EI/vx)χ0a （3） EI=0.85EcI0 （4） I0=л（d4-d14）/64 (αE-1）APYDp2 （5） α=[(mb0)/(EI)]1/5 （6） b0=0.9（1.5d 0.5） （7） 式中：Ec为混凝土弹性模量；I0 为桩身换算截面惯性矩；d为管桩外径；d1为管桩内径；Dp为纵向预应力钢棒分布圆的直径；APY为全部纵向预应力钢棒的总截面面积；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比；χ0a 为管桩柱顶允许水平位移（m）；vx为管桩桩顶水平位移系数，按管桩标准表5.2.11-1取值；α为管桩的水平变形系数（1/m）;m为桩侧土的水平抗力系数的比例系数（MN/m4），可按管桩标准表5.2.11-2选用，当桩基侧面为几种土层组成时，应按桩基规范附录C第C.0.2条第1款，求得主要影响深度hm=2（d 1）米范围内的m值作为计算值；b0为管桩桩身计算宽度（m）。 （3）群桩基础的基桩水平承载力特征值Rh 的确定 桩基规范第5.7.3条规定，群桩基础（不含水平力垂直于单排桩基纵向轴线和力矩较大的情况）的基桩水平承载力特征值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，可按下列公式确定： Rh=ηhRha （8） 考虑地震作用且sa/d≤6时， ηh=ηiηr ηl （9） ηi=[（sa/d）0.015n2 0.45]/（0.15n1 0.10n2 1.9）（10） ηl=（mχ0aBc’hc2）/（2n1n2Rha） （11） Bc’=Bc 1 （12） 式中：ηh为群桩效应综合系数；ηi为桩的相互影响效应系数；ηr为桩顶约束效应系数（桩顶嵌入承台长度50~100mm时），按桩基规范表5.7.3-1取值；ηl 为承台侧向土水平抗力效应系数（承台外围回填土为松散状态时取ηl =0）；sa/d为沿水平荷载方向的距径比；n1、n2分别为沿水平荷载方向、垂直水平荷载方向每排桩中的桩数；Bc’为承台受侧向土抗力一边的计算宽度（m）；Bc为承台宽度（m）；hc为承台高度（m）。 其他情况下：ηh=ηiηr ηl ηb ηb=（μPc）/（n1n2Rha） 由于Pc为承台底地基土分担的竖向总荷载标 准值，本文考虑管桩基础的上部荷载全部由管桩承担，即Pc=0，因此，其他情况下的计算公式同式（8）~式（12）。 （4）单桩承台和水平荷载垂直于单排桩基纵向轴线时的基桩水平承载力特征值Rh 的确定 对于单桩承台和水平荷载垂直于单排桩基纵向轴线时的基桩水平承载力特征值Rh 的计算方法规范未给出计算公式，按照桩基规范第5.7.3条及条文说明第3款，可考虑承台侧向土抗力的作用，即单桩承台水平承载力特征值按下式计算： Rh=Rha 0.5mχ0aBc’hc2 （13） 水平荷载垂直于单排桩基纵向轴线时基桩水平承载力特征值按下式计算： Rh=Rha 0.5mχ0aBc’hc2/n （14） 式中:n为总桩数。 （5）水平荷载较大和水平地震作用、风载作用的带地下室的高大建筑物桩基水平承载力计算 对于水平荷载较大和水平地震作用、风载作用的带地下室的高大建筑物，不能采用上述公式计算，按桩基规范第5.7.4条规定，此时可考虑地下室侧墙、承台、桩群、土体共同作用(承台侧面和地下室外墙侧面均能分担水平荷载)，按桩基规范附录C计算基桩、承台与地下室外墙水平抗力及位移[4]。 2 表格法计算管桩基础水平承载力 （1）计算管桩基础水平承载力表格 由于按第1节方法计算管桩水平承载力非常麻烦，为方便读者，笔者按照第1节方法，计算出直径为400mm、500mm的A型、AB型、C型和D型PHC管桩桩顶水平位移为10mm时，在Ⅰ型土~Ⅳ型（指桩顶以下2（d 1）深度范围内的土质）中的单桩水平承载力特征值Rha 、群桩效应综合系数ηh及承台高度为1.0m的基桩水平承载力特征值Rh ，见表1~表16。并说明如下： 1）表中Ⅰ型土~Ⅳ型土分别对应管桩标准表5.2.11-2（即桩基规范表5.7.5）中序号1~4的 地基土类别，即： Ⅰ型土：淤泥；淤泥质；饱和湿陷性黄土；m 为2~4.5MN/m4； Ⅱ型土：流塑（IL>1）、软塑（0.75<IL≤1）状粘性土；e>0.9粉土；松散粉细砂；松散、稍密填土；m为4.5~6.0MN/m4； Ⅲ型土：可塑（0.25<IL≤0.75）状粘性土、湿陷性黄土；e=0.75~0.9粉土；中密填土；稍密 细砂；m为6.0~10MN/m4； Ⅳ型土：硬塑（0<IL≤0.25）、坚硬（IL≤0）状粘性土、湿陷性黄土；e<0.75粉土；中密的中粗砂；密实老填土；m为10~22MN/m4。但本文表中仅考虑m为10MN/m4时的情况，因为土质很好时一般不会采用管桩。 2）表中m的小值对应Rha、ηh、Rh的小值，m的大值对应Rha、ηh、Rh的大值，介于小值和大值之间的m值对应的Rha、ηh、Rh值采用插入法求得。 3）表中承台高度按1.0m计算，当承台高度为其他值时，表1~表12中的ηh和Rh应乘以承台高度系数Ψ，Ψ见表13~表16。承台外围回填土应满足桩基规范第4.2.7条规定：承台与基坑侧壁间隙应灌注素混凝土或搅拌流动性水泥土，或采用灰土、级配砂石、压实性较好的素土分层夯实，其压实系数不宜小于0.94。同时还要满足桩基规范第8.1.9条规定：在承台与基坑侧壁间隙回填土前，应排除积水，清除虚土和建筑垃圾，填土应按设计要求选料，分层夯实，对称进行。 4）桩顶水平位移按6mm控制时，表中Rha和Rh应乘以0.6系数。由于按桩基规范表5.7.5“注：1”规定“当预制桩的水平向位移小于10mm时，m值可适当提高”，因此，这样做偏于安全。 5）当水平荷载为长期或经常出现的荷载时，不能直接在表格中选用，按桩基规范第5.7.5条表5.7.5“注：2”规定，此时m应乘以0.4进行降低，然后再在表中选用。 6） 适合桩长：由于本文按照式（3）计算Rha时，管桩桩顶水平位移系数vx是按管桩标准表5.2.11-1（即桩基规范表5.7.2）中换算深度（αh）不小于4取值的（h为桩的入土长度），因此，可以求出本文适合桩长如下： 注：1 表中有两个数值时，括号外数值适合于Sa/d=3的情况，括号内数值适合于Sa/d=4的情况； 2 表中系数为范围时，前后两个数值分别对应每型土m的小值和大值，其余m值对应的数值用插入法求得。 注：1 表中有两个数值时，括号外数值适合于Sa/d=3的情况，括号内数值适合于Sa/d=4的情况； 2 表中系数为范围时，前后两个数值分别对应每型土m的小值和大值，其余m值对应的数值用插入法求得。
注：水平荷载沿短向的6桩承台，当承台高度分别为1.1m、 1.2m、1.3m、1.4m时，表中系数应分别乘以1.02、 1.03、1.04、1.05的系数；当承台高度分别为0.6m、 0.7m、0.8m、0.9m时，应分别乘以0.95、0.96、0.97、 0.98的系数。
注：水平荷载沿短向的6桩承台，当承台高度分别为1.3m、 1.4m时，应乘以1.04的系数；当承台高度分别为 0.6m、0.7m、0.8m时，应分别乘以0.97、0.99、0.99 的系数。 直径400mm管桩桩长不应小于7.7~6.6m（Ⅰ型土，m=2.0~4.5MN/m4）、6.6~6.2m（Ⅱ型土，4.5~6.0MN/m4）、6.2~5.6m（Ⅲ型土，6.0~10MN/m4）、5.6m（Ⅳ型土，10MN/m4），桩长大值对应m的小值，桩长小值对应m的大值，其他m值对应桩长用插入法求得。 直径500mm管桩桩长不应小于9.0~7.7m（Ⅰ型土，m=2.0~4.5MN/m4）、7.7~7.3m（Ⅱ型土，4.5~6.0MN/m4）、7.3~6.6m（Ⅲ型土，6.0~10MN/m4）、6.6m（Ⅳ型土，10MN/m4），桩长大值对应m的小值，桩长小值对应m的大值，其他m值对应桩长用插入法求得。 当换算深度（αh）小于4时，本文表格不适用。 7） 桩基规范第5.7.2条第4款规定：“当单桩基础和单排桩基纵向轴线与水平力方向相垂直时，按桩顶铰接考虑”，对于其他情况，没有规定，但桩基规范第5.7.3条条文说明指出：“建筑桩基桩顶嵌入承台的深度较浅，为5~10cm，实际约束状态介于铰接与固结之间”。因此，本文计算桩基水平承载力时，偏于安全地按桩顶铰接考虑。 8） 承台平面尺寸是按照边桩中心与承台边缘距离为1倍桩径考虑的。 9）管桩标准第5.2.11条条文说明指出：“试验和理论研究表明，对于A、AB、B和C型管桩，桩型变化对单桩水平承载线性阶段影响不大，单桩水平承载力仅微小增加。”笔者通过计算验证了这一结论：对于直径400mm的管桩，AB型管桩与A型管桩单桩水平承载力之比约为1.01，C型管桩与B型管桩单桩水平承载力之比约为1.02；对于直径500mm管桩，AB型管桩与A型管桩、C型管桩与B型管桩单桩水平承载力之比均约为1.01，相差很小。为减小计算工作量，本文偏于安全地取AB型管桩与A型管桩单桩水平承载力相同，取C型管桩与B型管桩单桩水平承载力相同。 10）采用本文表格计算法，求得的单桩水平承载力特征值Rha和群桩中基桩水平承载力特征值Rh绝大多数偏于安全，富余度一般在0%~2%之间，最大不超过5%；个别的采用本文表格计算结果比准确计算结果小2%以内（具体比较见例1~例3）。 11）本文考虑管桩基础的上部荷载全部由管桩承担，不考虑桩间土承担上部竖向荷载。 12）对于A型桩承载力仅作为参考，因为按桩基规范第5.7.2条第6款，对于预制桩均可采用本文式（3）估算管桩基础单桩水平承载力特征值，但按照管桩标准第5.2.11条规定，A型管桩基础单桩水平承载力特征值不能采用本文式（3）计算。 12）由于规范未给出3桩承台、5桩承台、7桩承台、8桩承台、10桩承台、11桩承台基桩水平承载力特征值计算公式，因此，无法按桩基规范第5.7.3条考虑群桩效应综合系数ηh，但由于在桩数不太多时，ηh大于1.0，因此，可偏于安全地不考虑群桩效应，仅考虑承台侧向土抗力作用，按下式计算基桩水平承载力特征值：Rh=Rha 0.5mχ0aBc’hc2/n(n为桩数）。 （2）表格法与准确计算结果的比较 1）例1：某工程如果分别采用直径500mm、 壁厚125mm的B型和C型PHC管桩，桩长15m，桩顶铰接，桩顶允许水平位移为0.01m，桩侧土水平抗力系数的比例系数m=4.5MN/m4,求单桩水平承载力特征值Rha。 ①准确计算： B型桩：按式（5），桩身换算截面惯性矩I0=л（d4-d14）/64 (αE-1）APYDp2=3.95x109mm4； 按式（4）， EI=0.85EcI0=0.85x3.8x104N/mm2x3.95x109mm4=1.28x1014N.mm2=1.28x105KN.m2； 按式（7），b0=0.9（1.5d 0.5）= 1.125m；按式（6），管桩的水平变形系数α=[(mb0)/(EI)]1/5 ,=[(4.5x103x1.125)/(1.28x105)]1/5=0.524m-1；按式（3），Rha=0.75(α3EI/vx)χ0a=0.75(0.5243x1.28x105/2.441)x0.01=56.6（KN）。 C型桩：按式（5），桩身换算截面惯性矩I0=л（d4-d14）/64 (αE-1）APYDp2=4.23x109mm4；按式（4）EI=0.85EcI0=0.85x3.8x104N/mm2x4.23x109mm4=1.37x1014N.mm2=1.37x105KN.m2；按式（6），管桩的水平变形系数α=[(mb0)/(EI)]1/5 =[(4.5x103x1.125)/(1.37x105)]1/5=0.517m-1；按式（3），Rha=0.75(α3EI/vx)χ0a=0.75(0.5173x1.37x105/2.441)x0.01=58.2（KN）。 ②查表法：查表10，对应m=4.5MN/m4时B型桩、C型桩Rha=57KN。 ③比较：B型桩查表法比准确计算结果大（57-56.6）/56.6=0.7%；C型桩查表法比准确计算结果结果小（58.2-57）/58.2=2.1%。 2)例2：某2桩基础承台平面布置见图1（a）， 采用直径400mm、壁厚95mm的AB型PHC管桩，桩长10m，水平力作用方向沿长向，桩顶允许水平位移为0.01m，sa/d=3。桩侧土为淤泥质土，m为2MN/m4；承台高0.8m，求单桩水平承载力特征值Rha和群桩中的基桩水平承载力特征值Rh 。 ①准确计算： 按照例1“准确计算”同样的方法，可求得Rha=21KN。按式（10），n1=2，n2=1，ηi=[（sa/d）0.015n2 0.45]/（0.15n1 0.10n2 1.9）=[30.015x1 0.45]/（0.15x2 0.10x1 1.9）=0.72；按桩基规范表5.7.3-1，ηr=2.05；按式（12），Bc’=Bc 1=0.8 1=1.8m；按式（11），ηl=（mχ0aBc’hc2）/（2n1n2Rha）=（2.0x103x0.01x1.8x0.82）/（2x2x1x21）=0.27；按式（9），ηh=ηiηr ηl =0.72x2.05 0.27=1.75；按式（8），Rh=ηhRha= 1.75x21=36.8KN。 ②查表法： 对照本节第（1）.1),桩侧土为Ⅰ型土；对照本节第（1）.6)，桩长10m，大于7.7m，可采用本文的查表法。查表1可知，Rha=21KN，承台高1.0m时,Rh=39KN。查表15可知，承台高0.8m时，Rh=39x0.95=37.1KN。 ③比较：对于Rha，查表法与准确计算结果一致；对于Rh，查表法比准确计算结果大（37.1-36.8）/36.8=0.8%。 3） 例3:某2桩基础承台平面布置见图1（b），采用直径400mm、壁厚95mm的B型PHC管桩，桩长7m，水平力作用方向沿短向，桩顶允许水平位移为0.01m，sa/d=4。桩侧土为软塑（IL=0.8），m为6MN/m4；承台高1.2m，求单桩水平承载力特征值Rha和群桩中的基桩水平承载力特征值Rh 。 ①准确计算： 按照例1“准确计算”同样的方法，可求得Rha=44KN。按式（14），Rh=Rha 0.5mχ0aBc’hc2/n =44 0.5x6x103x0.01x3.4x1.22/2=117.4KN。 ②查表法： 对照本节第（1）.1)，桩侧土为Ⅱ型土；对照本节第（1）.6)，桩长7m，大于6.2m，可采用本文的查表法。查表2可知，Rha=44KN，承台高1.0m时Rh=95KN。查表13可知，承台高1.2m时，Rh=95x1.23=116.9KN。 ③比较：对于Rha，准确计算结果与查表法一致；对于Rh，查表法比准确计算结果小（117.4-116.9）/117.4=0.4%。 4）例4 某6桩基础承台平面布置见图1（c），采用直径500mm、壁厚100mm的B型PHC管桩，桩长20m，桩顶允许水平位移为0.01m，sa/d=4。 ①桩侧土为松散填土，m=4.5MN/m4，承台高1.0m，求单桩水平承载力特征值Rha和群桩中的基桩水平承载力特征值Rh。 对照本节第（1）.1)，桩侧土为Ⅱ型土；对照本节第（1）.6)，桩长20m，大于7.7m，可采用本文的查表法。查表6可知，Rha=54KN，Rh=107KN。
②桩侧土同①，仅m改为5.5MN/m4，当承台高分别为1.3m和0.7m时，求单桩水平承载力特征值Rha和群桩中的基桩水平承载力特征值Rh 。 桩侧土为Ⅱ型土，查表6可知，承台高1.0m，m=4.5MN/m4时Rha=54KN，Rh =107KN，m=6.0MN/m4时Rha=64KN，Rh =130KN，用插入法可求得m=5.5MN/m4时Rha=61KN，Rh =122KN。当承台高1.3m时，查表16可知，承台高度系数Ψ=1.1x1.04=1.14，故Rh =1.14x122KN=139KN；当承台高0.7m时，查表16可知，承台高度系数Ψ=0.92x0.99=0.91，故Rh =0.91x122KN=111KN。 3 管桩水平承载力与受剪承载力的比较 （1）直径400mmPHC管桩 查国家建筑标准设计图集《预应力混凝土管桩》( 10G409)[5]（简称10G409），直径400mmPHC管桩桩身受剪承载力设计值为146KN（A型）、164KN（AB型）、187KN（B型）、205KN（C型），除以1.35换算成标准值约为108KN（A型）、121KN（A型）、138KN（B型）、152KN（C型）。工程中采用管桩一般都是比较差的土质，如Ⅰ型土、Ⅱ型土，从表1、表2可以看出，单桩和基桩水平承载力特征值Rh中最大者为101KN，比桩身受剪承载力标准值小。 （2）直径500mm（壁厚100mm）PHC管桩 查10G409，直径500mm（壁厚100mm）PHC管桩桩身受剪承载力设计值为206KN（A型）、233KN（AB型）、262KN（B型）、278KN（C型），除以1.35换算成标准值约为153KN（A型）、173KN（AB型）、194KN（B型）、206KN（C型）。从表5、表6可以看出，Ⅰ型土、Ⅱ型土时单桩和基桩水平承载力特征值中最大者为136KN,比桩身受剪承载力标准值小。 （3）直径500mm（壁厚125mm）PHC管桩 查 10G409，直径500mm（壁厚125mm）PHC管桩桩身受剪承载力设计值为243KN（A型）、273KN（AB型）、308KN（B型）、333KN（C型），除以1.35换算成标准值约为180KN（A型）、202KN（AB型）、228KN（B型）、247KN（C型）。从表9、表10可以看出，Ⅰ型土、Ⅱ型土时单桩和基桩水平承载力特征值中最大者为147KN，比桩身受剪承载力标准值小。 （4） 综上所述，直径400mm和500mmPHC管桩在水平荷载作用下的承载力在Ⅰ型土、Ⅱ型土中是由桩基水平承载力控制的，而不是由桩身抗受剪承载力控制的，只有当土质较好（即Ⅲ型土、Ⅳ型土）时，才可能由桩身抗受剪承载力控制。有些设计人员采用10G409中管桩的桩身受剪承载力与群桩基础中基桩承受的水平力比较，进行桩基水平承载力验算是错误的，是不安全的。 4 单桩水平承载力Rha与群桩中的基桩水平承载力Rh的关系 单桩水平承载力特征值Rha与群桩中的基桩水平承载力特征值Rh的关系为Rh=ηhRha，从表中可以看出，群桩效应综合系数ηh随着水平荷载方向的距径比（Sa/d）增大而增大，随着承台桩数量的增加而减小，当承台桩数多于某一数值时，ηh将小于1.0，因此，认为群桩中的基桩水平承载力特征值Rh一定比单桩水平承载力特征值Rha大，在桩基水平承载力验算时采用单桩水平承载力特征值Rha代替Rh不一定安全。当然，通长情况下承台桩数不超过16根，群桩效应综合系数ηh大于1.0，在桩基水平承载力验算时采用单桩水平承载力特征值Rha代替Rh是安全的。例如，对于宽度约为15m、长度约为60m的桩筏基础，Sa/d=3时，水平荷载沿长向和沿短向的群桩效应综合系数ηh分别为0.5和0.9，Sa/d=4时，水平荷载沿长向和沿短向的群桩效应综合系数ηh分别为0.6和1.3，如果在桩基水平承载力验算时采用单桩水平承载力特征值Rha代替Rh，除Sa/d=4时的水平荷载沿短向外，均不安全。 5 哪些情况下必须进行管桩基础水平承载力验算 桩基规范第3.1.3条第1款规定，桩基应进行水平承载力验算。那么是不是所有情况下都必须进行管桩基础水平承载力验算呢？下面来分析。 （1） 高层结构 安徽省地方标准《先张法预应力混凝土管桩基础技术规程》 ( DB 34 /5005—2014) [6]( 简称安徽管桩规程) 第1.0.2条规定，当建筑物高度大于60米时，应设地下室；当建筑物高度大于100m时，宜选用桩径不小于600mm的PHC管桩。该条条文说明指出，建筑物高度超过100m的软土地区，还应验算桩基的竖向承载力和水平承载力或根据基础埋深等情况进行专题论证。 广东省地方标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）[7]（简称广东高规）第13.1.7条规定：“6、7度地区地下室不少于一层及8度地区地下室层数不少于两层时，可不验算基础（包括桩基础）在地震作用下的水平承载力”。该条规定是针对地震作用而言的，未涉及风载作用。 文献[8]通过对地面粗糙度为D类（有密集建筑群且房屋较高的城市市区）、基本风压为0.4~0.55kN/m2的矩形平面高层建筑风荷载与地震作用对比分析研究，得出有如下结论：1）在抗震设防烈度为 6 度、基本风压为 0.45kN/m2的地区，框架结构基底（结构底部）剪力由风载作用控制，框剪结构、剪力墙结构基底剪力可能由地震作用控制，也可能由风载作用控制，但地震作用控制可能性更大些；2）在抗震设防烈度为7度的地区，在结构高度不变的情况下，随着高宽比的增加（减小），风载作用（地震作用） 将逐渐起控制作用；3）在抗震设防烈度大于7度的地区，对于高层钢筋混凝土结构，基底剪力一般由地震作用控制；4）钢结构相对于钢筋混凝土结构，由于轻、柔，对风荷载更加敏感。 由于文献[8]是在地面粗糙度为D类、基本风压为0.4~0.55kN/m2的地区进行对比分析的，当地面粗糙度为A类、B类、C类，基本风压大于0.55kN/m2时，风载作用对建筑的影响更大。 综上所述，可得出如下结论： 1） 高层不设地下室时，必须进行桩基水平承载力验算。 2） 建筑物高度大于60米时，应设地下室。 3）6、7度地区地下室不少于一层时，钢筋混凝土结构可不验算桩基在地震作用下的水平承载力；一般情况下也可不验算风载作用下的水平承载力，但高层高宽比较大或基本风压较大时例外。 4）8度地区地下室层数不少于两层时，一般情况下钢筋混凝土结构可不验算桩基在地震作用及风载作用下的水平承载力，但风荷载非常大时例外。 5） 高层钢结构一般需验算桩基水平承载力。 （2）多层结构 1）钢筋混凝土结构 多层结构由于建筑高度小，刚度大，地震作用也较大，据笔者统计，对于1~8层的多层建筑，剪重比Rsw一般是规范规定最小值（如扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构，6度时0.8%，7度时1.6%，7.5度时2.4%，8度时3.2%）的1.5~2.5倍(层数越少倍数越大）。对于6度地区，基底剪力可能由地震作用控制，也可能由风载作用控制。但对于7度及以上地区，基底剪力由地震作用控制。一般来说，一个工程存在多种桩数的承台，应对各个承台下的基桩水平承载力进行验算，即使采用本文的表格计算，工作量仍较大。但对于多层来说，如果单桩竖向承载力特征值Ra小于某一数值，水平承载力验算必定满足，完全没必要验算。下面来分析。 管桩设计时，单桩竖向承载力特征值Ra是根据地质勘察报告提供的参数确定的，然后按照上部结构作用在承台上的荷载（竖向力、剪力和弯矩）确定桩数。考虑地震时，平均每根桩承受的竖向力标准值Nk≤1.25Ra；平均每根桩承受的水平力Vx（或Vy）/n（其中Vx、Vy分别为x、y方向基底剪力，n为总桩数）≤1.25Rh，即： Vx（或Vy）/n≤1.25Rh （15） 剪重比Rsw=Vx（或Vy）/G（其中G为结构重力荷载代表值，取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，不计入风载和地震荷载作用），即Vx（或Vy）=GRsw，代入式（15），得： （G/n）Rsw≤1.25Rh （16） 由于G/n≤Nk≤1.25Ra，因此，满足 （1.25Ra）Rsw≤1.25Rh 时，一定满足式（16），即满足式（17）时，桩基水平承载力一定能满足（但应注意，不满足式（17）时，桩基水平承载力不一定不满足）。 Rh≥ RaRsw （17） 因此，当满足式（17）时，可不进行桩基水平承载力验算；当不满足式（17）时，再进行桩基水平承载力验算，如满足就通过，如不满足，则需采取以下措施中的一种或几种，直到水平承载力验算满足为止：①桩型改为水平承载力更大的桩型；②加大桩间距；③增加桩数。 例1:某工程4层，抗震设防烈度为7度，剪重比为3.5%。桩顶周边为Ⅰ型土，m=2.0MN/m4，采用直径500mm、壁厚125mmAB型管桩，Sa/d=4，4桩承台，承台高度1.2m，桩长10m。 查表9、表16可知，Rh=64x1.06=67.8KN。当单桩竖向承载力特征值Ra=1500KN时，RaRsw =1500x3.5%=52.5KN<Rh ,不需进行桩基水平承载力验算；当单桩竖向承载力特征值Ra=2000KN时，RaRsw=2000x3.5%=70KN>Rh ,需进行桩基水平承载力验算。 2）钢结构 多层钢结构，由于自重轻，基底剪力可能由地震作用控制，也可能由风载作用控制，因此，应同时进行风载作用和地震作用下的桩基水平承载力验算。当按勘察报告提供的参数确定的单桩竖向承载力Ra较大且充分利用时，桩基水平承载力有可能不足；当按勘察报告提供的参数确定的单桩竖向承载力Ra不大或虽较大但未充分利用时（如门式刚架管桩基础一般为2桩承台，由于竖向荷载较小导致每根桩需要的单桩竖向承载力较小，按勘察报告提供的参数确定的单桩竖向承载力Ra未能充分利用），桩基水平承载力一般能满足。 6 其他有关问题 （1）对于特定场地，当桩型（A、AB、B、C 型）确定后，桩基水平承载力Rh就已经确定，但单桩竖向承载力随持力层和桩长的改变而改变。当地质情况很好，单桩竖向承载力Ra很大时，有时为了满足桩基水平承载力，不得不将Ra降低使用，即Ra没有用足。 （2）本文计算方法仅适合于承台承受较小弯矩的情况下。由于建筑工程中桩基础要求设置承台梁，柱底弯矩可由承台梁平衡，承台实际分配的弯矩较小，因此，能满足承台承受较小弯矩的要求。 （3）当一个工程存在多种桩数的承台时，应分别验算每个承台下的基桩水平承载力，且应采用每个承台基底剪力最大组合（不一定是计算桩基竖向承载力计算时的荷载组合）。当其中有些承台下的基桩水平承载力不足，但另一部分承台下的基桩水平承载力有富余时，可适当加大承台梁配筋，然后整体验算桩基水平承载力，当所有基桩水平承载力之和不小于所有承台基底剪力之和时，也可认为整个建筑的桩基水平承载力验算满足。 7 结论 （1）单桩水平承载力特征值Rha和群桩中的基桩水平承载力特征值Rh计算工作量大且繁琐，直径400mm、500mmPHC管桩可利用本文表格进行计算，从而大大减小工作量。 （2）当桩顶部周围土质较差时（即Ⅰ型土、Ⅱ型土）时，直径400mm、500mm的PHC管桩单桩水平承载力和群桩中的基桩水平承载力均比桩身受剪承载力小，即桩在水平荷载作用下的承载力是由桩基水平承载力控制的，而不是由桩身受剪承载力控制的，只有当土质较好（即Ⅲ型土、Ⅳ型土）时，才可能由桩身抗受剪承载力控制。 （3）在承台桩数较少（如少于16根桩）时，群桩中的基桩水平承载力Rh比单桩水平承载力Rha大，但随着桩数的增加，基桩水平承载力Rh越来越小，当桩数达到某一数值以后，群桩中的基桩水平承载力Rh将比单桩水平承载力Rha小。 （3）建筑物高度大于60米时，应设地下室；无地下室的高层建筑必须进行桩基水平承载力验算。 （4）6、7度地区地下室不少于一层时，钢筋混凝土结构可不验算桩基在地震作用下的水平承载力；一般情况下也可不验算风载作用下的水平承载力，但高层高宽比较大或基本风压较大时例外。 （5）8度地区地下室层数不少于两层时，一般情况下钢筋混凝土结构可不验算桩基在地震作用及风载作用下的水平承载力，但风荷载非常大时例外。 （6）建筑物高度超过100m的软土地区，应验 算桩基水平承载力。 （7） 不设地下室的多层： 1） 抗震设防烈度8度地区，应进行桩基水平承载力验算； 2） 抗震设防烈度不超过7度地区，当承台桩数较少（如少于16根桩）时，管桩单桩竖向承载力Ra不大于700KN（对于直径400mm管桩）、1000KN（对于直径500mm管桩）时，桩基水平承载力一定能满足，不需验算；当按勘察报告提供的参数确定的单桩竖向承载力Ra较大但未充分利用，实际利用（需要）的单桩竖向承载力不大于700KN（对于直径400mm管桩）、1000KN（对于直径500mm管桩）时（如门式刚架），桩基水平承载力也一定能满足，不需验算；当按勘察报告提供的参数确定的单桩竖向承载力Ra较大且充分利用时，应进行桩基水平承载力验算，验算结果可能满足，也可能不满足。 3） 当桩基水平承载力验算不满足时，应采取以下措施中的一种或几种，直到水平承载力验算满足为止：桩型改为水平承载力更大的桩型、加大桩间距和增加桩数。 （8）高层钢结构需验算桩基水平承载力。 |
|
|
来自： zhangb2017 > 《待分类》
