预制装配式结构杯口基础的问题与探讨

韩丽玲

中石化广州工程有限公司 广东 广州 272100

引言

由于预制混凝土结构具有节省模板、改善制作时的施工条件、劳动效率高、施工速度快等优势，使得预制装配式结构在石油炼化项目中应用较多。工业设计中，预制混凝土柱及预制混凝土梁常用于管构架中，本文将结合某国外项目用到的预制装配式结构，对预制装配式结构中遇到的杯口基础进行分析探讨，为今后类似混凝土预制构件杯口基础设计提供参考。

1 国内外杯口基础设计

国标《建筑地基基础设计规范》从构造措施来考虑杯口基础的设计，并未给出明确的计算模型，无法从受力分析的角度进行定量计算。

国外杯口基础计算分为两种，杯壁光滑时的杯口计算及杯壁凿毛时的杯口计算。由于凿毛杯口基础的柱与杯口的连接还有许多问题尚未解决，故本文先介绍杯壁光滑时杯口基础的计算。

根据实际的预制柱在杯口中的受力，我们得到了计算模型，如图1所示。

图1 杯口基础计算模型示意图

1.1 理论推导

根据Canha的理论[1]研究，预制柱与杯口连接处的受力分析如下：

根据预制柱与杯口连接受力示意图，通过力平衡方程和弯矩平衡方程求解柱子与杯口接触位置的反力，进行整理后得到：

对Hinf处取矩，根据力矩平衡，可以根据计算得到水平力Hsup,f的大小：

水平向主要受力钢筋As,hpl用来抵抗水平力Hsup,f，并且设计将其分布于lemb/3长度的范围内。据此方法，水平向受力钢筋As,hpl主要抵抗水平力Hinf,f，并且将其分布于2lemb/3长度的范围内。

竖向受力钢筋As,ypl用来抵抗竖向力Rvp，杯口中的横墙受到了Hsup,f和 Hinf,f的压力，这些力主要由As,hpt来承担。

根据力矩平衡，可以得到如下计算公式。

根据实验所得，这两个水平力Hsup,f-f以及Hsup,f-t的比重分别为0.15和0.85，由此可以得到：

到此我们就得到了所有的受力，相应的钢筋面积也可根据受力计算得到[2]。

在杯口的横墙处，根据Leonhardt理论，基于结构和节点的模型可以得到如图2所示的模型。

图2 STRUTS-TIES计算模型

杯口角部竖向钢筋面积计算：

次要的杯口墙中竖向钢筋面积计算：

杯口墙体水平向受力钢筋计算面积：

其中水平箍筋As,hpl和As,hsl两者可以取较大值用于所有杯口中墙的配筋。

2 工程实例

某国外项目中管架采用预制混凝土梁柱结构以及杯口基础的形式。本文选取800×800的柱子，基础埋深1.5m（基础顶面到地面距离）[3]。取某段管架采用STAAD计算，得到柱底最大荷载（kN）如下所示：

Fx Fy Fz Mx My Mz 45.386 747.97 90.504 386.22 -2.378 -220.3

2.1 欧标计算

预制柱的插入深度为L=1.2m＞1.5h=1.2m，那么水平力作用点y=y’=0.1L=0.12m，灌浆厚度W1=0.1m；杯口厚度hc为0.4m＞1/3(h+2W)=0.33m，杯口总长度为hext=h+2W+2hc，混凝土保护层为0.075m，tanβ=0.812，混凝土采用C30，钢筋采用HRB400。根据以上公式，得到杯口计算结果Hsup,f=471.78kN；Hint,f=173.02kN ；Nbf=658.35kN。

根据 STRUTS - TIES 计算模型，可以得到

至此，我们可以得到所有的受力，根据计算得到的力可以计算出杯口基础各个墙的配筋大小。我们以标号①②③④来标示钢筋在杯口中的位置[4]。

竖向钢筋面积As,vp=524.47mm2①（为杯口角部的竖向钢筋布置），选配2Φ20，As,vp=628mm2；As,vs=209.8mm2②（为次要的杯口墙中的竖向钢筋布置）选配8Φ20，每边4Φ20对称布置，As,vs=2513 mm2。

水平向钢筋面积计算：As,hpl=646mm2-③ （为杯口墙体水平向受力钢筋布置，分布于墙体0.3L处），选配Φ12@150， As,hpl=678mm2； As,hsl=237 mm2-④（为杯口墙体水平向受力钢筋布置，分布于墙体0.7L处）。选配Φ8@200, As,hsl=2513mm2。

图3 杯口配筋平面图

2.2 国内外杯口基础设计对比

国内的杯口基础要求杯壁及杯底凿毛，但是国外杯口基础分为凿毛和光滑两种形式。本文仅取国外光滑杯口基础进行计算对比。我们从柱子的插入深度、杯壁厚度、杯壁配筋三项进行对比，以期找到其相同及不同点对将来的设计有所裨益。

2.2.1 柱子插入深度：国内分杯口基础及高杯口基础两种，根据柱的截面大小据表确定。国外杯口底面确定为基础顶面，即插入深度即为短柱高度。

2.2.2 杯壁及杯底厚度：国内杯口厚度及杯底厚度根据基础长边尺寸据表确定，最小为150mm；高杯口基础的杯口厚度同样由基础长边尺寸据表确定，最小200mm。国外杯口基础的杯口厚度同样与柱截面大小有关，杯壁厚度hc≤1/3（h+2W），其中h为柱长边尺寸，W为柱与杯口的间距，取50mm。我们将列表进行对比：

表1

2.2.3 杯壁配筋：国内杯壁配筋皆由构造确定，国外杯壁配筋皆由计算确定[5]。

3 结束语

经过对比分析，国内外杯口基础设计方法相差较大，所以最终计算结果略有不同。

国内全部采用凿毛基础，一些国外项目则有杯壁光滑和杯壁凿毛两种基础形式。

国内杯口基础的插入深度与柱子的宽度有关，国外柱子插入深度则为短柱长度。

杯口基础的杯壁厚度均是与柱子长边尺寸有关，但是本案例中，国外杯口厚度较国内略厚。

配筋信息，其中相差较大的为杯壁四角的配筋信息，由于国内基础凿毛，故水平力能更好地传递给基础，故杯壁的配筋较小；此例中的国外杯口基础杯壁光滑，水平力由杯壁和基础共同承担，导致配筋较大。