浅谈扩展独立柱基础的抗冲切设计与施工

徐国炎

（厦门顺安隆工程建设有限公司，福建 厦门 361000）

浅谈扩展独立柱基础的抗冲切设计与施工

徐国炎

（厦门顺安隆工程建设有限公司，福建 厦门 361000）

国内目前的房屋基础按其埋深可分为浅基础和深基础。浅基础主要以扩展基础为主，扩展基础系指柱下独立基础、墙下条形基础和筏形基础。本文根据工程实例，对扩展独立柱基础的抗冲切设计与施工进行探讨。

扩展独立柱基础；抗冲切设计；施工

深基础包括有柱、墩、沉井、地下连续墙等。浅基础按使用材料的不同，可分为柔性基础或弹性基础和刚性基础。柔性基础和弹性基础均以采用钢筋砼为主，柔性和弹性采用何种设计理论及配筋量不同，柔性基础的配筋量大于弹性基础的配筋量。刚性基础主要有砼基础、毛石砼基础、砖基础、毛石基础、灰土基础等，均无配置钢筋抵抗变形拉力。浅基础的地基又可分为天然地基和人工地基。天然地基为基础持力层直接落于天然老土层或岩石上。人工地基为基础持力层无法直接落于天然老土层或岩石上，而需要经过处理后才能作为持力层的地基，如换填、强夯、灰土搅拌等。浅基础是相对深基础而言的，二者的差别主要在施工方法及设计原则。下面主要浅论天然扩展浅基础的抗冲切设计与施工成本。

1 天然扩展浅基础设计高度与施工成本的关系

施工成本由人工费、材料费、机械费、措施费、管理费等组成。当基础底面积确定后，冲切承载力取决于基础高度，基础高度越高冲切承载力越大，施工成本越高。刚性基础即根据上部的荷载大小与地基承载力确定基础底面积，基础高度按刚性角或基础台阶高宽比确定，具体执行GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》。因刚性基础的材料的抗冲切拉应力强度较低，若上部荷载稍大时，基础高度将较大，施工成本也随之较高。柔性或弹性基础的底面积也是根据上部荷载与地基承载力确定，基础高度也取决于抗冲切承载力。冲切力越大基础高度越高，成本也就越高。柔性或弹性基础高度按规范的冲切公式确定。

2 柱下独立基础抗冲切破坏机理

按规范规定柱下独立基础、筏板基础与条形基础高度分别采用不同的设计方法。柱下独立基础的受冲切机理：柱下独立基础在柱中心荷载F(KN)作用下，如果基础高度不足，则将沿着柱周边（或阶梯高度变化处）产生冲切破坏，形成与底面夹角为45°的斜裂面的角锥体（如右图）。因此，由冲切破坏锥体以外（AL）的地基反力所产生的冲切力（FL）应小于冲切面砼的抗冲切能力。

对于矩形独立柱基础，柱短边一侧冲切破坏较柱长边一侧危险，所以一般只需根据柱短边一侧冲切破坏条件来确定底板厚度，即求矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交处（如下图）以及基础变阶处的受冲切承载力。按式FL≤0.7βhpftαmho验算。

3 按规范的方法计算抗冲切承载力确定基础高度砼无法充分利用

《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002规定根据受冲切机理及规范规定分析，AL 范围地基反力产生的冲切应力为与底面成45°角的拉应力。规范仅考虑由冲切面砼来承冲切拉应力，而砼的抗拉强度ft又很低，若在柱中心荷载很大的情况下，套用FL≤0.7βhpftαmho计算，势必造成基础厚度很厚，特别是在地基承载力较高（如岩石层）的情况下，多层或小高层较多设计成独立柱基础，经常出现基础厚度超过一米，这种持力层落于坚硬土层或岩石上的多层或小高层的独立柱基的砼仅在冲切面才能充分利用。在其他位置均无法充分利用，对施工的经济成本及工期而言均不太合理，在坚硬土层或岩石层上凿出基坑，效率低、工期长，若受自然因素影响（如下雨）基坑又需要抽水，成本就更高。所以，在坚硬土层或岩石层上，基础高度越小经济成本及工期成本越低。若能考虑在受冲切面配置一些抗冲切拉应力的钢筋，那么基础的厚度就能大大减少，又能充分发挥钢筋抗拉与砼抗压材料强度的优势，并达到节约施工经济成本及缩短工期的目的。

4 独立柱基抗冲切受力的破坏特征与梁抗剪的相似性及计算公式套用建议

独立柱基受冲切的破坏形式与梁的受剪破坏形式极其相似，破坏时均产生斜裂缝。若在可能出现斜裂缝的位置配置一定数量的钢筋来抵抗冲切拉应力，这些钢筋与可能出现的斜裂缝相互垂直，如下图，基础厚度按规范规定最小厚度。公式参照受剪弯起钢筋的计算公式。

因抗冲切公式的amho为抗冲切面面积，0.7为角度系数，βhp为受冲切承载力截面高度系数（09～1.0）ft为砼轴心抗拉强度设计值。整个公式的物理力学意义为受冲切面的抗冲切拉力的设计值。受剪弯钢筋的抗剪拉力公式0.8fyAsSina,0.8为弯起钢筋受剪承载力的折减系数，与βhp相似；Sina 弯起钢筋的角度与受冲切承载力公式的0.7 相似。fyAs为受剪面钢筋的抗拉强度，与amho相似。从扩展基础的受冲切破坏机理至设计计算均与梁的抗剪非常相似，仅名称与代号不统一而已，因此，认为要充分发挥材料强度优势，天然扩展浅基础在设计基础高度时，在受冲切面配置一定数量的钢筋来抵抗冲切拉应力，计算时套用梁抗剪的弯起钢筋计算公式可减少基础高度，达到降低工程造价，缩短工期等目的。

5 设置抗冲切钢筋达到节约施工成本及缩短工期的实例分析

案例一：某工程地上六层 下地一层 地下室为消防水池、水泵房，采用柱下独立基础，独立柱基面设置钢筋砼梁式筏板基础，筏板厚度300，砼强度等级C30，梁式筏板基础仅受构件自重及地面载。独立柱基平面如下，柱截面尺寸均为600×700，基础的单个最大荷载为作用在柱底的荷载效应基本组合设计值：

中心竖直荷载F=5257.14KN，力矩M=2800KN.M，基础尺寸为4600×3300×300～1100。验算抗冲切,并进行造价工期等比较。

若采用配置适量钢筋与冲切面垂直位置基础边缘厚度以满足规范的最小要求200，柱边厚度选用400。计算配筋设置如前所述，再进行验算。配置1225。

公式套用弯起钢筋抗剪承载力：亚砂土及薄层粉砂。

（2）2-2：淤泥质亚粘土：灰色，流塑，夹薄层粉砂。

（3）2-3：亚粘土：灰色，流塑，夹粉砂，局部为亚砂土夹亚粘土。

（4）2-4：亚粘土：青灰色，软塑，含氧化铁斑，欠均一。

（5）3-1：亚粘土：灰色～褐黄色，硬塑，含少量铁锰结核及灰色高岭土条带、浸斑。

（6）3-2：亚粘土：灰黄～灰色，软塑，夹亚砂土。

（7）4-1：钙质泥岩(强风化)：紫褐色，原岩经强烈风化呈砂土、粘土夹碎石状。

3 主要施工方法

3.1 钻孔桩施工

根据地质情况，本工程桩基础采用Ф1.2m冲击钻孔桩施工。

3.2 沉井施工

经测量靠岸侧基坑的开挖深度最大达11.5m，如采用全面放坡开挖，基坑开挖面积太大，很容易造成对老桥基础的影响，且在标高1.0～3.0m之间土层为淤泥质土，很容易造成基坑坍方，承台基坑采用沉井支护。

3.3 斜腿刚构0号段施工

斜腿刚构0号段采用斜腿钢桁架和平衡架的施工方法，通过设置后锚墩，设计临时预应力束张拉，成功的完成了斜腿0#段的施工。

斜腿刚构0号段施工时分三次浇筑砼成型，第一次浇筑至标高8.68米处（距斜脚根部约5.5m），第二次浇筑至箱梁底板，第三次0#段浇筑完毕。为防止斜腿根部出现砼开裂，在第二次混凝土浇筑前，利用斜腿后侧平衡刚架及承台上现浇的钢筋混凝土锚墩对斜腿进行张拉，张拉之前用型钢（2[32a]对斜腿进行横向支撑。

3.3.1 支架

0号 段平衡刚架采用2[32a（背焊）加工成型，单箱共设置5组平衡刚架。平衡钢架在场外按设计加工成形，现场单件安装焊接，组拼成型；同时进行斜腿钢桁架安装施工，钢桁架单组在场外加工成型，斜腿桁架上下弦杆采用2[25加工（上下弦杆根部2m范围采用δ=1cm的钢板加固）直杆及斜杆采用2[10加工。平衡钢架顶标高为8.18m，从顶往下46cm设2[32a的对口撑，并与斜腿上的预埋钢板焊接。斜腿断面中心预埋锚垫板，钢绞线一端与锚垫板连接固定，另一端通过锚墩进行张拉。钢绞线穿过斜腿部分通过预埋的波纹管（波纹管与水平方向夹角为13度）防止与砼的接触。

平衡架顶设28a工字钢作为分配梁，间距60cm；分配梁顶搭钢管脚手架，间距：60*60cm。0#段其余部分采用满堂脚手架施工，间距：60*60cm。平衡架及斜腿桁架组与组之间均用[12设置剪刀撑。

图二 斜腿0#段施工图

3.3.2 斜腿临时张拉

0# 段克服水平力张拉束共设置5束，每束钢绞线设计7根，采用7-φ15.24高强度低松弛钢绞线，每根钢绞线受控力为19.53t（每根钢绞线张拉力按张拉至0.75Ry来控制）。0#段第一次砼混凝土浇筑完毕，混凝土等强至80%设计强度后，进行应力张拉。 张拉时，先局部拆除槽口模板，利用承台上的临时锚墩对斜腿进行单端张拉，张拉顺序按从中间向两侧对称张拉。

3.3.3 模板

0号 块采用竹胶模板作为外模，由于斜腿靠河心侧砼与桁架之间净空只有23cm，且桁架之间最大间距为2.2m。模板背带纵向采用5*8cm的方木，间距25cm，横向采用14mm槽钢加固，间距30cm。靠河心侧斜腿模板立好之后，绑扎斜腿钢筋及预埋各种预埋件；然后再施工靠河岸侧模板，模板纵向背带方木，横向采用钢管加固，利用“3”形卡，设置拉杆把斜腿两侧模板连接起来。

箱梁外模除底板采有胶合板外，其余部位全部采用光面竹胶板。箱梁内模采用钢木组合型式。内模内框架采用5×10cm方木，侧面及底面采用2cm厚木板，顶面采用标准钢模板。

3.3.4 波纹管的定位与安装

普通钢筋绑扎成型后，按照预应力束道的定位坐标，由中向两端在底模上画好标线，并编上号，按每个断面预应力束道的竖向尺寸绑扎、焊接好定位箍筋，再穿入波纹管，绑扎牢固。

3.3.5 混凝土施工

砼采用搅拌站商品砼，砼坍落度控制在16±2cm，掺加早强缓凝剂，砼初凝时间不得小于6h，砼强度7天内达到设计强度的80%。

混凝土浇注在立面上分三次灌注：第一次灌注斜腿；第二次灌注箱梁底板，第三次灌注箱梁腹板、顶板及翼板。箱梁混凝土采用泵送入模，插入式振动器振捣。

3.4 斜腿刚构1号段施工

1# 段斜坡段长9.414m，分三次进行浇筑成型。为便于2#段支架搭设，斜坡段每隔90cm设置一个小台阶，并预埋钢筋。底模采用土模，并按照设计坡度进行刷坡，浇筑垫层混凝土。侧面采用胶合板，背带方木，并采用钢管撑加固。斜坡段浇注完毕之后，进行1#段配重梁施工。

3.5 斜腿刚构2、3号段施工

3.5.1 支架

2号 段箱梁底板支架采用钢管支架，纵×横=90×60cm；翼板下支架：90×90cm。

3号 段支架采用贝雷桁片组上设分配梁(工25)，间距75 cm；分配梁上搭设钢管支架。底板下采用75×90cm钢管支架，腹板及隔板下支架间距50×50cm。

全桥共布置6排支撑桩，从北至南依次编号为：A、B、C、D、E、F排，各排均采用钢管桩，钢管桩直径均采用Φ400mm，壁厚10mm。通过对打入桩的静载试验及现场实际情况，桩顶标高取值为：7.422m，两座桥A排共需布置27根桩，桩长13.6m；其中B排桩桩长12.3m，布置27根；C排桩桩长12.8m，布置31根；D排桩桩长13.2m，布置31根；E排桩桩长13.3m，布置27根，F排桩桩长14.4m，布置27根。钢管桩上口采用2根35a工字钢作为分配梁，工字钢上口纵向采用贝雷片桁架。

3.5.2 模板

箱梁外模全部采用光面竹胶板。在支架顶面纵向铺设15×15cm方木，横向铺设10×10cm方木。铺设间距30cm。竹胶板用电钻打孔，圆钉固定在方木上。模板分两次立模，第一次为底板、挑臂及隔板，第二次为箱梁顶板内模。

箱梁内模采用钢木组合型式。内模内框架采用5×10cm方木，侧面及底面采用2cm厚木板，顶面采用标准钢模板。内模预先在加工场加工成型，接缝严密。

模板安装工艺同0号块。支架预压原理同0#段。

3.5.3 钢筋、混凝土及预应力施工

混凝土浇筑分一次进行。其他施工工艺同0号块。

3.6 斜腿刚构4号块施工

刚构4号段支架利用河中钢管支架及贝雷桁片作为施工平台，其他施工工艺同3号块。

4 预应力施工

4.1 预应力筋的下料绑扎

下料前制作一个转盘，把钢绞线卷套入转盘内，上面用十字横杆卡住，转动转盘拉出钢绞线，按每束钢绞线的设计长度在下料槽内拉直，放平用砂轮切割机切断，并及时用扎丝将端部扎紧，然后按每束钢绞线的根数进行编束，编束时应先将钢绞线理顺，用扎丝每隔1.0～1.5m把钢绞线束扎紧，每根钢绞线的方位一致。

4.2 钢绞线安装

钢绞线在灌注砼前穿入，穿入端头分三层制成锥形，并套上穿束器，通过牵引钢丝绳将钢绞线束从孔的一端拉到另一端，至两端外露长度大致相等，同时注意钢绞线不得扭转。

4.3 钢绞线的张拉工艺

4.3.1 张拉

为了校验预应力值，在张拉过程中测出预应力筋的实际伸长值，如与计算值相差±6%以上时，必须检查其原因后，再行张拉。

张拉程序：0→侨张拉初始力（0.1σk）→σk控制力（持荷2 分钟）→锚固→回零。

4.3.2 孔道压浆

张拉完毕后，及时进行孔道压浆，以不超过24小时为宜，以免引起预应力筋锈蚀或松弛。并及时将夹片周围预应力筋间隙用水泥砂浆封锚；封锚水泥砂浆强度不达到10MPa不得压浆。压浆泵输浆压力保持在0.5～0.6MPa，以保证压入孔道内的水泥浆密实为准，并有适当稳压时间（一般30秒）。水泥浆强度须保证在28天强度能达到设计要求或不低于35MPa，水泥浆的试件强度达到15MPa时，方能吊移，并及时封锚。

结束语

通过此工法，对于设置后锚墩，采用斜腿钢桁架和平衡架的施工方法，分段张拉，比较成功的完成了斜腿钢构的施工。

[1]邱式中.钢构桥结构新体系及其施工技术(二)——钢梁拱圈的施工建筑施工，2003-07-30.

[2]姚广成，郑凤霞，李晓鸿.一连续钢构桥主墩承台有限元分析.科技信息(科学教研)，2008-05-20

[3]兰英.大跨径预应力混凝土连续刚构桥的施工仿真分析.石油大学，2009-05-01.

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