特殊工程中承臺(tái)沖切厚度設(shè)計(jì)處理方法

□文/王克峰 宋 徹

一直以來，基礎(chǔ)底板或承臺(tái)的厚度都是由沖切控制的。為滿足沖切安全性，承臺(tái)的厚度往往較基礎(chǔ)底板下皮增加較多，施工中形成各種下柱墩施工過程。這種結(jié)構(gòu)方案，從規(guī)范角度偏于安全，一般情況下也不會(huì)造成多大的難度，一直是帶地下室結(jié)構(gòu)的首選方案之一。但是，在一些特殊的情況下，施工過程中對(duì)于下柱墩的施工工序非常敏感，往往成為基礎(chǔ)施工中的難點(diǎn)。例如：鄂爾多斯的碧利斯風(fēng)情廣場(chǎng)施工，由于土質(zhì)堅(jiān)硬，對(duì)于局部下柱墩的開挖與平整非常困難。再如：天津東疆港商貿(mào)聯(lián)檢樓的施工，由于土質(zhì)很軟，局部下柱墩的開挖與平整也較為困難；同時(shí)由于工期緊，沒有時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的下柱墩開挖施工。

1 規(guī)范背景研究

以上工程實(shí)例，都提出一個(gè)共同的問題:能否采取合理的措施，有效降低下柱墩的高度，提高施工效率。但是，從我國(guó)目前有關(guān)承臺(tái)厚度控制高度的條文來看，都是直接采用混凝土厚度指標(biāo)來保證沖切的安全性。

誠(chéng)然，可以采用調(diào)整樁布置，提高混凝土強(qiáng)度的方法來改善承臺(tái)的抗沖切性能。但是，首先混凝土強(qiáng)度的提高帶來水化熱提高等問題，在大體積混凝土的應(yīng)用中有一定的限制，而樁布置的方案也最多保證一根樁反力在減小沖切荷載中的發(fā)揮，手段比較有限。從混凝土規(guī)范中關(guān)于沖切荷載計(jì)算公式中可以發(fā)現(xiàn)，在相同的受力機(jī)理下，結(jié)構(gòu)抗沖切性能能夠引入鋼筋的作用。那么，是否在承臺(tái)沖切問題上，可以采用同樣的處理方法呢，需要從承臺(tái)沖切的計(jì)算原理中尋找答案。

目前，工程界對(duì)承臺(tái)沖切的計(jì)算方法，總的來說可以分為上限解法和下限解法2種觀點(diǎn)。

1）按照構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)理論，求解承載力的上限解，簡(jiǎn)稱為上限解法。中國(guó)規(guī)范中含有承臺(tái)沖切的條文，都是按照這個(gè)理論進(jìn)行的。

2）按照傳力路徑出發(fā)，構(gòu)造合理的應(yīng)力場(chǎng)，求解承載力的下限，簡(jiǎn)稱下限解法。歐美的一些國(guó)家都是采用的這種方法求解承臺(tái)沖切問題。

從本質(zhì)上說，這2種是近似的方法，都采用了塑性理論，在分析條件上都采取了一定程度的假設(shè)。

但是，由于錯(cuò)動(dòng)理論求解的是承載力的上限，因此其理論計(jì)算結(jié)果要高于實(shí)際承載力；錯(cuò)動(dòng)理論的基礎(chǔ)是對(duì)于較大沖跨比的情況下，柱根部位出現(xiàn)相對(duì)的下陷錯(cuò)動(dòng)機(jī)構(gòu)而推論出的，在小沖跨比情況下，也就是常見的厚承臺(tái)，這一現(xiàn)象表現(xiàn)不出來。所假設(shè)的錯(cuò)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，變形總集中在塑形區(qū)（沖切錐范圍內(nèi)），其他部分沒有變形。不同的承臺(tái)沖切面形狀復(fù)雜，受到柱與樁位的影響，而錯(cuò)動(dòng)理論則將這一復(fù)雜形式簡(jiǎn)化成一個(gè)規(guī)則的圖形，也就是規(guī)范中提出的承臺(tái)沖切范圍。錯(cuò)動(dòng)理論假設(shè)意味著沖切面上，混凝土處于剪壓狀態(tài)，而實(shí)際上沖切面的中部，混凝土產(chǎn)生的是劈裂破壞。

正是由于上述各種錯(cuò)動(dòng)理論假設(shè)，斜截面上的受拉性能對(duì)混凝土抗沖切能力的提高沒有得到體現(xiàn)。因此，在承臺(tái)的沖切中，我國(guó)規(guī)范沒有加入斜截面鋼筋的作用。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，所有的基礎(chǔ)承臺(tái)或底板的沖切，都是采用混凝土直接承受的解法來進(jìn)行。誠(chéng)然，這種工程處理方法在一般情況下，節(jié)省了鋼筋用量，簡(jiǎn)化了施工。但是，在一些特殊的施工，設(shè)計(jì)條件下，往往限制了工程設(shè)計(jì)人員的解決思路。

相比之下，下限解法具有優(yōu)勢(shì)。

1）在下限解法中，將結(jié)構(gòu)比擬為空間桁架體系，樁與柱之間的混凝土為桁架的斜腹桿，受力狀態(tài)為受壓，樁頂面上的鋼筋為桁架的受拉弦桿。受壓腹桿的兩端，是受力較為復(fù)雜的剪壓區(qū)，其尺寸基本維持在0.6倍的樁橫截面面積上。這種比擬，類似于混凝土受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力分析的比擬。因此，從這種理論出發(fā)，有效提高斜壓腹桿的承載力，就能夠提高整個(gè)空間桁架的受力性能。

2）從這種桁架理論出發(fā)，樁頂面的配筋分布不應(yīng)該是均勻布置的。越靠近樁頂，能夠與斜壓腹桿形成桁架的鋼筋，將更能夠提高結(jié)構(gòu)的整體性能。而這一結(jié)論，也得到了試驗(yàn)的證實(shí)。有試驗(yàn)表明，集中于樁頂?shù)呐浣钚问剑^均布配筋，承載力提高1.27倍。

3）由于鋼筋對(duì)混凝土劈裂的約束作用得到體現(xiàn)，因此，我國(guó)規(guī)范中所提及的厚大體積基礎(chǔ)中層鋼筋的作用也能夠從另一角度解釋。通長(zhǎng)，如果按照規(guī)范的說法，厚大體積混凝土的中層鋼筋是為提高混凝土的抵抗溫度變形能力以及在施工中充當(dāng)一部分架立鋼筋作用。從實(shí)際分析的角度，中層鋼筋對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的調(diào)劑作用不明顯；對(duì)混凝土的劈裂作用則能夠起到一定的積極作用。

比較我國(guó)現(xiàn)行的混凝土規(guī)范中與結(jié)構(gòu)沖切相關(guān)的條文以及與承臺(tái)沖切相關(guān)的規(guī)范條文，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特殊情況下，能夠從結(jié)構(gòu)基本受力性能的原理出發(fā)，采用配置部分抗沖切鋼筋的方法來減小承臺(tái)的沖切厚度，減小施工的難度，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

有研究表明：沖切模型中，斜腹桿混凝土的承壓能力是決定承臺(tái)沖切能力的主要因素，混凝土沖切模型可從另一個(gè)角度來計(jì)算

式中：fce是混凝土棱柱體軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。而從混凝土軸心抗壓強(qiáng)度提高原理來分析，有效提高其側(cè)變形約束力是提高混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的有效方法。

針對(duì)這種觀點(diǎn)，本文利用ANSYS，進(jìn)行了一個(gè)四樁承臺(tái)的拓?fù)鋬?yōu)化分析，質(zhì)量?jī)?yōu)化控制在80%。其目的是驗(yàn)證承臺(tái)中材料的實(shí)際應(yīng)力分布情況。從利用效率最高原則出發(fā)，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果見圖1-圖4。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果（平面）

圖3 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果（透視1）

圖4 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化 分析結(jié)果（透視2）

從模型分析結(jié)果看，從柱底到樁頂之間的混凝土斜壓桿的利用效率最高。同時(shí)，此壓桿在中間部分，呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，說明在此部分的混凝土受壓承載力需求要高于其他位置的壓桿。為提高其承載力，可以采用增設(shè)垂直約束鋼筋（沖切鋼筋）的方法予以加強(qiáng)。

2 工程實(shí)例

對(duì)于特殊條件下的施工基礎(chǔ)下柱墩施工，有時(shí)土方開挖的費(fèi)用相當(dāng)高。鄂爾多斯工程，由于土質(zhì)堅(jiān)硬，對(duì)于1 000mm高3 m×3 m的下柱墩，平均需要2～3名工人采用風(fēng)鎬開挖2 d左右時(shí)間才能達(dá)到基礎(chǔ)驗(yàn)收的要求。如采用大型挖掘機(jī)械配合，也需要人工1 d時(shí)間進(jìn)行邊坡的修正工作。而對(duì)于像東疆港這樣軟弱土質(zhì)，下柱墩的大面積開挖，同樣給施工帶來很多的困難。

針對(duì)這種工程情況，為滿足施工進(jìn)度的要求，在東疆港商貿(mào)聯(lián)檢二期基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，采用增設(shè)柱下抗沖切筋的方法，減少下柱墩的設(shè)計(jì)，見圖5。

圖5 “商貿(mào)聯(lián)檢二期”基礎(chǔ)暗柱墩設(shè)計(jì)方案

圖5中，虛線內(nèi)為暗柱墩的配筋范圍，柱墩內(nèi)縱筋的配置在此范圍內(nèi)進(jìn)行。而填充部分則表示此部分的基礎(chǔ)板厚度不足以抵抗柱下沖切力的作用，需要增設(shè)沖切鋼筋來抵抗沖切力，采用GB 50010—2011《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.5.3公式計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)整個(gè)工程的地下底板混凝土工程，由于采用“暗柱墩”方案，工程共減少下柱墩土方開挖60×36×0.2=432（m3）并減小相等數(shù)量的混凝土方數(shù)。其余與之相關(guān)的施工措施，如：工期、降水、基坑修整、防水鋪設(shè)接縫措施等則都相應(yīng)簡(jiǎn)化。（本工程由于特殊性，采用了預(yù)制混凝土實(shí)心方樁，因此單柱下樁數(shù)較多，柱墩較大。）

同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，由于增設(shè)抗沖切鋼筋，基礎(chǔ)鋼筋用量相應(yīng)增加，上述60個(gè)暗柱墩中總共增加鋼筋（筏板按照1 m計(jì)算，柱按照平均700mm計(jì)算）[0.5×2+(0.9/sin60°)×2+0.7+0.1]×4.9×10-4×20×7.8×60=17.8（t）

經(jīng)過上述比較，在保證結(jié)構(gòu)沖切安全的前提下，材料費(fèi)、施工費(fèi)用節(jié)約了較多。目前，本工程已進(jìn)入上部主體施工階段。

3 方案的設(shè)想與推廣

由于第一次大面積的采用增設(shè)承臺(tái)沖切筋的方法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)過程中對(duì)于多數(shù)的承臺(tái)高度依然采用了帶有一定沖切高度保證率的方法來確定基礎(chǔ)底板的厚度。如果在工程足夠安全的前提下，對(duì)本工程全部下柱墩的沖切設(shè)計(jì)均采用附加沖切鋼筋的做法，在保證防水板足夠厚度（500mm）的前提下，則從理論上可以減少下柱墩開挖并節(jié)約混凝土約7 000 m3。這種結(jié)果如果對(duì)于一個(gè)基礎(chǔ)條件相對(duì)復(fù)雜，開挖、降水、維護(hù)、工期等成本較高的地下工程，是有一定的優(yōu)越性的。

4 總結(jié)

通過對(duì)規(guī)范背景的分析以及實(shí)際工程需要出發(fā)，本文對(duì)比分析了規(guī)范中針對(duì)混凝土工程不同沖切破壞的計(jì)算方法。提出了采用抗沖切鋼筋代換增厚下柱墩的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案并將這一方案在某一特定背景的工程中進(jìn)行了應(yīng)用。從目前的設(shè)計(jì)效果，施工效果，經(jīng)濟(jì)效果來看這種設(shè)計(jì)能夠滿足工程的安全性，同時(shí)有利于施工。在特殊的基礎(chǔ)施工條件下，是一種值得嘗試的方案。