不同厚度下五桩承台的承载力计算

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摘要：传统桩基承台的内力计算都是建立在梁、板受弯计算理论基础之上，对承台的受剪、受冲切、局部受压承载力的验算基本套用一般梁、板等受弯构件的计算方法。

关键词：五桩承台，承载力计算

Different thickness of cap with five piles bearing capacity calculation

Zou Ming-qiZhou Xin

Guangdong Zhao Yang highway Limited company

Abstract: the traditional pile caps calculation are based on beam, plate bending calculation theory of pile cap foundation, shear, punching, local compression bearing capacity checking generally used beam, plate and the calculation method of flexural members.

Key words: five pile foundation, bearing capacity calculation

以我国承台规范为例，承台的承载力计算包括抗弯、抗冲切、抗剪切及局部抗压计算，其中受弯计算按悬臂板破坏模式，即以柱边截面为最大弯矩进行承台下部配筋，并将受力钢筋均匀布置；抗冲切计算主要在试验资料和以往经验基础上，确定冲切锥体，抗冲切承载力与冲切锥体上的混凝土抗拉强度成正比，与受力筋无关；抗剪验算以梁式破坏模式为基础，剪切破坏面为通过柱边和桩边连线形成的斜截面。这种设计方法只考虑承台某一特殊截面上的受力，而没有考虑承台内部的完整力流；规范抗冲切计算的有关假定与承台的实际应力分布及受力状态也不尽相符。随着国内外学者对承台研究的深入，人们发现平截面假定对承台尤其是厚承台不适用，于是提出了各种厚承台的传力模型，如拉压杆模型、空间析架模型以及空腹式模型。下面谈谈不同厚度下五桩承台的承载力计算。

1、应力分布分析

通过在承台顶面施加逐级荷载，直至破坏，本文绘制了五桩承台在屈服破坏时的应力分布图1。从图1可以看出，五桩承台的压应力主要沿桩和柱的连线方向传递，这说明力是沿最简单最直接的路径传递。柱子传向中间桩的力约为传向角桩的2-3倍，而且在中间桩和角桩之间同样形成“拱”，在桩和承台的交接部位存在应力集中的现象。由于五桩承台的受力比较复杂，这使得建立简化计算方法具有一定的难度，目前只能从试验过程和有限元计算进行定性分析研究。

从图中可以看出，对于较厚的五桩承台，可以很明显的看到柱子传向桩的力，首先是一个扩散的过程，象波纹一样向四周传递，然后有一个向桩集中的过程。从应力云图的分析，得出以下几点：（1）力主要沿柱子和角桩的连线方向传递。（2）中间桩的受力明显大于角桩。（3）在桩和承台的交接部位存在应力集中的现象。

图1五桩承台在屈服破坏时的应力分布

2、开裂荷载和破坏荷载

选取厚度为300mm的五桩承台，计算承台底部中间位置的位移，现将计算的荷载一位移曲线以及由试验所得到的曲线用图2表示。从图中看出，承台在开裂前位移较小，开裂后（荷载达到1000KN左右）位移增大，但增长幅度变化不大。

图2 五桩承台荷载位移曲线

3、五桩承台破坏时的桩的受力分析

为了分析五桩承台破坏时，中间桩和角桩受力特性，本文将中间桩和角桩计算的荷载一应变曲线用图3表示。从图可看出，在峰值应变前，中间桩的应变增长速率明显大于角桩的；在相同荷载下，中间桩的应力大约为角桩的3倍；角桩和中间桩在加载过程中都是受压；

图3五桩承台荷载位移曲线

由于研究的是中间桩受力特性，并考虑到实际应用，所以计算到角桩和中间桩应力相当时，即停止计算。为了分析不同厚度对桩的受力的影响，本文绘制了不同厚度下角桩与中心桩的轴力比值的变化曲线图4。

图4 角桩与中心桩的轴力比值的变化曲线

从图4可以看出，对同一承台，角桩和中间桩的应力比值随承台厚度的增加而增大；由五桩结果分析得出，对较薄的承台，中间桩所承担的荷载较大，由于中间桩的作用，承台很难发生弯曲破坏，因此角桩对承台的冲切成为主要的破坏形式；由于角桩所承担的荷载减小，角桩对承台的冲切作用也随之减小，从而可减小承台的厚度。如果要求桩的承载力相同，要么增大中间桩的桩径，要么减小桩间的距离。对其它多桩承台，比如矩形六桩承台，其中间的两根桩受力明显不同于两边的桩，在设计时就应该考虑这一点，采取相应措施。

4、五桩承台受力特性分析

混凝土五桩承台在整个过程中，位移很小，大部分混凝土是受压，只是构件快要破坏时，在底部出现拉应力。当承台厚度较小时，还可以应用平截面假定，而承台厚度较大时，就不能满足平截面假定；承台的破坏主要表现为冲切破坏，五个桩中，中间桩首先破坏；破坏裂缝不是由塑性角引起，因此，塑性角理论也不适用于承台的研究。由于中间桩的作用，五桩承台表现出同于四桩，又不同于六桩，因此，在进行五桩承台的设计时，应充分考虑角桩和中间桩的受力差异，采取相应的措施加强中间桩的强度。

通过以上对混凝土五桩承台中间桩受力特点以及它对承台的作用研究，得出如下结论：（1）对于较薄的五桩承台，中间桩和角桩的桩径相同时，中间桩所承担的荷载较大。（2）随着承台厚度的增加，中间桩和角桩的受力差别在减小，当承台厚度增加到一定时，两者所承担的荷载才可认为相当。且随着中间桩桩径的增大，两者应力差别在减小。

在实际工程应用中，如果桩的承载力设计值相同且以中间桩来衡量，那么角桩的设计是偏于安全的；如果以角桩的承载力设计值来衡量，那么中间桩的设计值就偏小。我们应该从两方面来看待承台柱子下方的这根桩：一方面，如果在柱子下方布桩，而没有充分考虑到中间桩和角桩受力上存在较大差别，用角桩的设计值代替中间桩的设计值，那么，这是基础工程设计中的一个潜在隐患。虽然对大多数基础工程，这一点并不是很突出，但作为地下隐蔽工程，承台的设计是不能有丝毫马虎，一旦遇到特殊的情况，由于中间桩设计的不合理而引起承台出现问题，对整个建筑物的影响是相当大的，有时甚至是致命的；另一方面是，当承台的桩不能满足承载力要求时，在中间加一根桩后就能提高承台的承载力，尽管这是一种很有效的方法，但是加了这根桩后，就应该考虑中间桩和角桩的受力差别。对于多桩和群桩承台，柱子下方难免会布桩，当桩距不大时，可以不考虑桩的受力差别；当桩距较大时，这种差别就不应该忽略。

5、不同厚度下桩基承台的极限承载力分析

（1）普通混凝土与钢纤维混凝土桩基承台的极限承载力均随承台的增加而增大。

（2）普通混凝土桩基承台的承载力与承台高度曲线前段较后段增长幅度小，说明增加普通混凝土承台的有效高度可以显著提高承台的极限承载力。

参考文献：

[1]胡敏.新规范关于桩基承台计算方法的分析比较[J].交通标准化,2009,(12).

[2]刘文武.桩基承台两种设计模式的受力分析[J].山西建筑,2009,(02).

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