新型樁筏基礎(chǔ)在高層建筑中的應(yīng)用研究

吳海兵

近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，大量工程項(xiàng)目不斷興起。20世紀(jì)70年代，Davis和Burland提出了“樁筏基礎(chǔ)”的概念，此后，有大量的國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)樁筏基礎(chǔ)開展了研究。Poulos和Yang對(duì)各國(guó)樁筏基礎(chǔ)的研究狀況進(jìn)行了綜述。隨著高層建筑的日益發(fā)展，樁筏基礎(chǔ)在我國(guó)有著廣闊的應(yīng)用前景。

一、工程概況

工程分東塔和西塔，均帶有裙房與地下室，且地下連成一個(gè)整體。大地下室長(zhǎng)約180m，寬110m，地下一層高6.0m，二層高5.4m。

工程?hào)|塔和西塔結(jié)構(gòu)面高度均為173.8m。東塔長(zhǎng)和寬均為44.0m，高寬比為3.95，核心筒尺寸為26.1m×14.5m（底部），筒的高寬比約為12；西塔長(zhǎng)和寬均為44.0m，高寬比為3.95，核心筒尺寸為26.1m×14.25m（底部），筒的高寬比約為12.2。

二、樁筏基礎(chǔ)有限元分析

1. 樁筏基礎(chǔ)有限元模型

根據(jù)新型樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)思路，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可行性和可靠性，利用ABAQUS有限元分析軟件，針對(duì)東塔樁筏基礎(chǔ)進(jìn)行有限元三維實(shí)體分析。分析模型平面尺寸為28.5m×28.5m。根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖，筏板厚度取2700mm，筏板材料為C40混凝土，剪力墻材料采用C60，混凝土材料按彈性材料考慮，不考慮塑性。

利用ABAQUS有限元分析軟件建立如圖1的三維實(shí)模型。其中有限元分析模型下部樁長(zhǎng)取3倍樁徑，即0.9×3=2.7m，上部剪力墻及框架柱向上凸出1m，墻頂標(biāo)高為-9.5m。

荷載及約束：模型荷載采用PKPM/SATWE軟件計(jì)算得到的恒荷載+活荷載（D+L）下的基本組合。對(duì)于分析模型的邊界約束條件，樁端采用固定約束。

網(wǎng)格劃分：對(duì)于有限元模型，控制整體網(wǎng)格劃分尺寸為600mm，同時(shí)為了更精確地模擬應(yīng)力集中處的應(yīng)力狀態(tài)，在局部把網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)分，控制細(xì)分網(wǎng)格尺寸為100mm。結(jié)構(gòu)有限元模型采用C3D8R單元（8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元）。

2. 樁筏基礎(chǔ)有限元分析結(jié)果

（1）樁筏基礎(chǔ)Mises應(yīng)力云圖

圖1 樁筏基礎(chǔ)Mises應(yīng)力云圖

圖1 為樁筏基礎(chǔ)Mises應(yīng)力云圖。由圖1可得，就樁筏基礎(chǔ)整體的Mises應(yīng)力分布情況來(lái)看，較大的Mises應(yīng)力分布在核心筒剪力墻底部和樁基頂部的附近區(qū)域；外圍剪力墻下的筏板基礎(chǔ)的應(yīng)力和中心附近剪力墻下的筏板基礎(chǔ)的應(yīng)力，在離剪力墻相等距離處，前者的值要比后者的大、前者的分布范圍要比后者的廣。軟件計(jì)算得到在D+L工況組合下基礎(chǔ)最大Mises應(yīng)力為19.7 MPa＜38.5MPa，發(fā)生在應(yīng)力集中的剪力墻角部，材料處于彈性狀態(tài)。

（2）筏板Mises應(yīng)力云圖

圖2 筏板Mises應(yīng)力云圖

圖2 為筏板Mises應(yīng)力云圖。由圖2可得，就筏板的Mises應(yīng)力分布情況來(lái)看，較大的Mises應(yīng)力分布在核心筒剪力墻的附近區(qū)域，且外圍剪力墻下的筏板應(yīng)力比中心附近剪力墻下的筏板應(yīng)力大，這與樁筏基礎(chǔ)Mises應(yīng)力分布情況是一致的。軟件計(jì)算得到在D+L工況組合下筏板最大Mises應(yīng)力為11.91 MPa＜26.8 MPa(C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，發(fā)生在筏板與樁頂相交應(yīng)力集中處。

（3）樁Mises應(yīng)力云圖

圖3 樁Mises應(yīng)力云圖

圖3 為樁Mises應(yīng)力云圖。由圖3可得，就樁的Mises應(yīng)力分布情況來(lái)看，較大的Mises應(yīng)力分布在核心筒剪力墻下的樁頂區(qū)域，且外圍剪力墻下的樁頂?shù)腗ises應(yīng)力比中心附近剪力墻下的樁頂?shù)腗ises應(yīng)力要大，這與樁筏基礎(chǔ)Mises應(yīng)力分布情況相符合。軟件計(jì)算得到在D+L工況組合下樁最大Mises應(yīng)力為17.34 MPa＜26.8 MPa(C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)。樁最大軸力為8342 kN。

通過(guò)以上分析，按照新型樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法建立的計(jì)算模型，在恒荷載+活荷載（D+L）的基本組合下，樁筏基礎(chǔ)的最大Mises應(yīng)力為19.7MPa，筏板最大Mises應(yīng)力為11.91 MPa，樁最大Mises應(yīng)力為17.34MPa，且各項(xiàng)最大應(yīng)力均未超過(guò)對(duì)應(yīng)位置的材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；同時(shí)，可知樁的最大軸力滿足設(shè)計(jì)要求。由此說(shuō)明，這種新型樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于本工程的實(shí)施是可行的且是可靠的。

三、結(jié)語(yǔ)

1.在樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)巖土工程勘察報(bào)告應(yīng)仔細(xì)研讀，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)情況通過(guò)詳盡的樁基比選，選擇出最優(yōu)的樁型。確樁型定后，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，確定筏板的平面尺寸和厚度。

2.結(jié)合建筑平面布置，充分考慮施工條件的影響，樁筏計(jì)算分析模型應(yīng)與施工過(guò)程保持一致。在出現(xiàn)計(jì)算分析與實(shí)際受力不符時(shí)，及時(shí)改進(jìn)一般樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法。

3.根據(jù)新型樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行有限元建模分析，分析結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，為該新型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法的適用性提供了一定依據(jù)。