四柱下群桩基础的实用设计方法研究

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1 概况及设计参数

对于四柱下群桩基础设计，随着设计软件的发展，可用设计手段也愈发丰富，但如何在满足结构安全、经济合理的基础上选取最实用可靠的设计方法对不少工程师造成困扰。由此本文选用若干常用的设计软件进行计算、对比分析，其实质是传统计算方法与有限元计算方法之间的比较;并采用空间桁架模型方法与前者相互校验。

某塔架采用铰接柱脚形式，由于上部荷载工况繁多，本文仅列出经过初步计算得到的控制工况:#1～#4柱脚X、Y 及Z 向荷载分别为:-40、15、-430;-230、-180、-3650;-170、-190、3170;-50、-40、-10 单位kN。坐标轴、柱脚编号及基桩编号见右图;对于Z 向荷载负值为拉力，正值为压力。

选用30m 有效长度，直径1m 的钻孔灌注桩进行基础设计，其竖向承载力特征值为2575kN。

2 常用软件计算及结果对比

根据工程经验并经过初步计算选取埋深2.5m、厚度为1.2m 的9桩承台分别采用各常用软件进行计算、对比分析。各软件的主要设计参数输入应尽量保持一致。

理正工具箱:采用多柱桩承台模块，基础与覆土平均容重21.36kN/m3。承台各计算截面上下部各方向主筋均为1800mm2/m(构造配筋)。

PKPM.JCCAD(桩基承台模块):PKPM 的使用需对上部结构进行建模，以四根短柱作为上部结构;底以上土的加权平均重度18kN/m3。承台底面两方向主筋均为1800mm2/m(构造配筋)，承台顶部无配筋结果。

PKPM.JCCAD(筏板有限元模块):基桩刚度根据地质资料确定为2000000kN/m，基床系数为0，筏板顶面恒载23.4kN/m2。筏板各区域均匀配筋均为2400mm2/m(构造配筋，计算结果最大值2364)。

MIDAS.GEN:短柱、桩基采用梁单元，承台采用板单元，边界条件采用桩弹性支撑。可计算得承台板各荷载组合时的各向弯矩。

经过对比可知，两种有限元方法得到的板内弯矩在同一数值水平上，考虑到两软件单元划分与统计方式的差异及部分应力集中现象，可认为两者计算结果基本一致;在实际工程设计中可采用两软件互相校核的方式，但MIDAS 软件自动网格划分要优于PKPM，结果输出也更直观。

由于多柱的存在，承台上部可能会出现较大的拉应力，此时JCCAD的桩基承台模块的配筋形式是不合理的。对于存在柱间负弯矩的承台常用的配筋形式还有暗梁式，其在工程应用中能够节约一定的钢筋但效果有限，且大大增加了施工难度，本文仅以均匀配筋作为研究对象。

表2.1 控制工况各基桩反力标准值

由表2.1 可知(暂不比较空间桁架)，各软件计算结果均存在差异。其影响因素主要有:第一，计算假定的差异，理正与PKPM 承台均将承台视为刚体，充当短柱与桩之间的传力构件，由桩基规范的方法得出反力;而PKPM 筏板与MIDAS 则采用有限元的方法考虑短柱、承台与基桩之间的变形协调，根据网格划分计算出基桩反力。第二，由于上部覆土荷载的计算差异及有限元网格划分的不同导致。第三，如果承台之间存在联系构件时，不同软件对其刚度影响的处理也存在差异。

对于相同的计算假定，只要合理的控制各软件主要计算参数的输入就能够将差异控制在较小的范围，各软件算出的7 号基桩处的最大反力差异在5%以内，对工程设计几乎没有影响。

3 空间桁架计算方法

根据相关单柱、双柱空间桁架计算方法的研究结果可尝试将其用于四柱的桩基承台研究。四柱联合桩基承台空间桁架模型一般均为超静定桁架，其内力计算需首先设定混凝土斜杆及钢筋拉杆截面尺寸，可采用MIDAS 计算桁架各杆内力。同时可得到各边界反力(即基桩反力，见表3.1)。

空间桁架方法的基桩反力结果与常用软件的计算结果趋势一致但各基桩之间的差异性更大。这是由于该方法将承台中原本模糊的传力路径清晰、明确的表达出来，忽略了应力流的发散同时削弱了均匀性，但不影响空间桁架对于承台的模拟，且计算值偏于保守。对于杆件内力，由于上部柱脚存在较大的拉力，使得该柱脚处出现斜拉杆;但考虑到柱脚受拉锚杆在承台中的锚固特性，该处并不会出现如此明确的斜拉杆路径，这也是空间桁架模型存在的缺陷，实际设计工作中可采用针对性构造措施以抵抗斜杆拉力。最大斜压杆受力3789.8kN，在其承载力范围内，斜压杆截面积取0.6 倍桩截面面积;水平拉杆的最大拉力为1547.2kN，需在2 倍桩径范围内配筋2149mm2/m，该结果较之筏板有限元方法的2364 基本相当。

4 结论

对于工程设计中遇到的四柱下群桩基础不建议采用常规刚性承台的方法计算，可采用有限元方法且使用不少于两个软件进行相互校核，取各软件所长并对计算结果进行分析判断。而空间桁架模型方法可使设计人员对其传力路径更加明确，并对薄弱环节进行针对性构造加强，同时应认清其缺陷所在，合理利用计算结果。实际设计工作中还应根据工程特点，有重点选取方法更深入的计算分析。

［1］JGJ94-2008 建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］王坦，周丽丹.基于空间桁架模型的桩基础厚承台的优化设计建议［J］.混凝土与水泥制品，2014，(05):34-37.

［3］熊建辉.双柱联合基础设计计算方法研究［D］.湖北:华中科技大学，2005.

［4］谢云飞.群桩下联合基础承载力研究［D］.江苏:扬州大学，2007.