多桩承台间连系梁对桩基受力的影响研究

何姣云 周卫国

1. 湖北水利水电职业技术学院 湖北 武汉 430070；2. 武汉凯迪电力工程有限公司 湖北 武汉 430223

工业设备支架一般采用有立面斜撑的钢支架，钢柱脚处有巨大的竖向荷载、水平荷载及弯矩，需通过承台传递至基桩。基桩具有较大的竖向荷载承载能力及较小的水平荷载承载能力。为适应这些传力特点，工程上一般采用增加基桩数量、采用联合基础、设置连系梁等方案解决[1-4]。但增加基桩数量或采用联合基础都造成工程造价的大幅增长，而对于在多桩承台间设置连系梁，现行设计规范没有给出明确的设计方法。本文结合桩基础工程设计实例，采用数值模拟方法，对工业建筑多桩承台间连系梁在设计中所涉及的问题进行分析和探讨，结果可供相关设计人员参考。

1 研究背景

1.1 设计规范中多桩承台间连系梁设置规定

目前，主要设计规范对多桩承台间连系梁设置的规定不够详细。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》 规定，桩基承台之间宜沿2个主轴方向设置基础连系梁，但没有规定连系梁的设置位置，也没有给出连系梁的计算方法以及构造规定。GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》和JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》规定，有抗震要求的柱下独立承台，宜在2个主轴方向设置连系梁，并给出了连系梁位置要求和构造配筋方面的规定，但并没有给出计算方法。

1.2 工业建筑设计过程中连系梁设置现状

由于设计规范对多桩承台间连系梁设置的规定不够详细，因此，各设计院对于多桩承台间连系梁设置的实施并不一致，体现在是否设置连系梁、连系梁设置位置、连系梁如何参与钢支架柱底荷载的传递等方面。

关于是否设置连系梁的问题：部分设计院主张不设置连系梁，采用增加桩数，或者设计成联合承台的方案；也有通过设置连系梁以满足规范规定的抗震要求，并传递钢支架柱底荷载的水平力。

关于连系梁设置位置的问题：有些项目的连系梁设置在钢柱底附近（即混凝土短柱柱顶）；有些设置在承台顶部附近；还有的设置在承台底部位置[5-6]。

关于连系梁如何参与钢支架柱底荷载的传递问题：有些项目设置连系梁的目的仅是为了满足规范的抗震要求；有些设计院认为连系梁能传递钢支架柱底荷载的水平力；有些设计院认为连系梁不仅能传递水平力，还能平衡弯矩（桩顶平面处的弯矩使各基桩的竖向支撑力不同）[7-8]。

2 工程实例

本文以一个已成功实施的火力发电厂锅炉钢支架的柱脚受力分析为案例，与数值计算结果进行对比分析。

工程实例较为复杂，为简化分析过程，本文仅选取实例中的一种（标准组合）控制工况的x轴线方向作为分析对象，没有考虑z方向的结构构件（已从工程实例的基桩受力分析结果中消除了z方向水平荷载对基桩竖向及水平荷载的影响）。

2.1 基桩的基本特性

根据试桩报告以及工程桩检测报告：工程实例采用钢筋混凝土灌注桩，桩径0.8 m、桩长30 m；桩基的竖向承载力特征值为3 000 kN；水平荷载承载能力84 kN（10 mm变形对应的是112 kN，0.75×112 kN＝84 kN），正方形布桩的9桩承台群桩综合效应系数为1.33，群桩基础的基桩水平承载力特征值是111.72 kN（1.33×84 kN＝111.72 kN）。

桩的水平变形系数为0.38 m-1。

2.2 承台及连系梁的基本尺寸

承台为6.5 m×6.5 m×2.0 m的9桩承台，基桩桩距为2.4 m；承台上短柱断面尺寸为2 m×2 m，短柱顶至基桩顶的距离为4.5 m；连系梁断面尺寸为1.25 m×0.50 m，连系梁顶面比承台顶面低50 mm（为简化计算，计算模型中忽略了此尺寸），如图1所示。

图1 桩基承台布置示意

2.3 受力分析方法及基桩受力结果

基桩的受力分析方法：上部结构传至承台短柱顶的竖向荷载由各基桩平均分担；水平荷载经连系梁传递，由范围内的所有基桩平均分配；水平荷载产生的弯矩（短柱顶至基桩顶的距离h与水平荷载Fx的乘积）由各承台的基桩抵抗。承台及基桩编号布置如图2所示 。

图2 承台、基桩编号布置

上部结构传至承台短柱顶的荷载如表1所示。为简化计算，本文仅以案例中的一种（标准组合）控制工况为研究对象。

表1 标准组合控制工况荷载

基桩的反力计算结果如表2所示。

表2 基桩反力计算结果

从表2中计算结果可看出：工程实例工况下，承台3下的基桩6的竖向荷载最大，为2 637.35 kN，水平反力为 -73.39 kN。

另外，承台1、3下的基桩受力较小，但实际设计的桩数量偏多，是因为承台1、3下的基桩数量是由其他工况所控制的。

3 数值分析

3.1 计算模型

连系梁位置设计3个有限元模型，分别是连系梁顶面与短柱顶平齐（图3）、连系梁顶面与承台顶平齐（图4）、连系梁底面与承台底平齐（图5）。

图3 连系梁顶面与短柱顶平齐

图4 连系梁顶面与承台顶平齐

图5 连系梁底面与承台底平齐

承台模型：4个9桩承台的尺寸均为6.5 m×6.5 m，承台厚度2 m，间距分别为10、20、10 m，承台短柱尺寸均为2 m×2 m，高为2.5 m；模型采用边长为0.25 m的立方体单元。

基桩：桩距为2.4 m，桩径为800 mm，采用弹性支座模拟基桩。

承台间连系梁的位置分别为短柱顶、承台顶以及承台底，连系梁断面尺寸均为1.25 m×0.50 m。

3.2 确定弹性支座的各弹簧系数

根据工程实际桩基检测资料，在竖向荷载作用下，桩的典型竖向荷载-变形曲线如图6所示。

图6 基桩竖向荷载-变形

在基桩的竖向承载能力特征值范围内，可近似得出基桩的弹簧系数KFy≈920 000 kN/m。

在水平向荷载作用下，桩的典型水平向荷载-变形曲线如图7所示。

图7 基桩水平向荷载-变形

在基桩的水平承载能力特征值范围内，可近似得出基桩的弹簧系数KFx＝KFz≈10 000 kN/m。

3.3 其他因素

模型中没有考虑z方向结构构件，同时也忽略了z方向的荷载，与上文中工程实例的计算基准相同。

工程实例与有限元模型计算中均忽略了承台侧面（z方向）土体和地面土体对基桩反力计算的影响，也忽略了连系梁四周土体对连系梁的摩阻力及支撑力的影响。这样的计算方法应该可以得到保守的结果，不会对工程产生安全影响。

3.4 计算结果

从工程实例的受力分析以及有限元模型的计算结果来看，承台以及短柱的结构计算结果均符合预期，在此不再赘述。

连系梁顶面与短柱顶平齐模型中的基桩反力计算结果如表3所示。

表3 连系梁顶面与短柱顶平齐模型中基桩反力计算结果

表3中各承台范围内基桩的竖向反力比工程实例更趋于平均，基桩的最大竖向反力为2 545.58 kN，较工程实例的基桩最大竖向反力降低约92 kN（3.5%）；各基桩水平反力范围为-75.94～-71.69 kN，与工程实例相比，变化范围为-2.3%～3.5%。

连系梁顶面与承台顶平齐模型中基桩反力计算结果如表4所示。

表4 连系梁顶面与承台顶平齐模型中基桩反力计算结果

表4中各承台范围内基桩的竖向反力比工程实例更趋于平均，基桩的最大竖向反力为2512.98 kN，较工程实例的基桩最大竖向反力降低约124 kN（4.7%）；各基桩水平反力范围为-75.07～-71.90 kN，与工程实例相比，变化范围为-2.0%～2.3%。

连系梁顶面与承台底平齐模型中基桩反力计算结果如表5所示。

表5 连系梁底面与承台底平齐模型中基桩反力计算结果

表5中各承台范围内基桩的竖向反力比工程实例更趋于平均，基桩的最大竖向反力为2 511.39 kN，较工程实例的基桩最大竖向反力降低约126 kN（4.8%）；各基桩水平反力范围为-75.58～-71.91 kN，与工程实例相比，变化范围为-2.0%～3.0%。

4 结语

工程设计中经常碰到多桩承台间是否设置连系梁、连系梁设置位置、连系梁设置效果等争论。本文根据已实施工程的实例数据，采用有限元方法模拟了连系梁在承台不同高度位置的受力分析，得到多桩承台间连系梁对承台下基桩反力影响效果的初步规律，可以为工程师在设计多桩承台时提供帮助。

1）设置连系梁可以起到将轴线上水平荷载平摊到各基桩的作用。

2）进一步验证了工程实例中的设计方法（上部结构传至承台短柱顶的竖向荷载由各基桩平均分担；水平荷载经连系梁传递，由范围内的所有基桩平均分配；水平荷载产生的弯矩由各承台的基桩抵抗）是合理的。

3）多桩承台间设置连系梁能降低基桩的最大反力，但其降低幅度较小。

4）从上述模拟计算结果看，连系梁设置在承台不同高度位置对基桩反力的影响并不大，因此，多桩承台间设置连系梁时可以方便灵活地避让工业建筑中常见的沟道、管道、设备基础等。

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