基于空间桁架理论的桩基础厚承台施工要点分析

王 坦，袁志仁，刘 波

（1.长春工程学院土木工程学院，长春130012；2.吉林大学建设工程学院，长春130021）

0 前言

在我国现行的桩基础规范[1]中，承台的配筋设计是按照梁式理论，即取柱边可能存在的屈服线处的最大弯矩作为设计弯矩。但这与厚承台传力机理并不相符。从国内外的桩基础承台的研究成果来看，对于厚承台可以采用空间桁架理论来模拟其受力状态。现阶段，可以通过在施工中重视空间桁架理论的应用，提高承台的承载能力。

1 桩基础承台的空间桁架理论

通过有限元软件分析得到厚承台的主应力矢量图（如图1所示），符合空间桁架模型的传力机理[2]。桩基础厚承台的空间桁架模型（如图2所示）是指将柱底到桩顶连线之间的混凝土作为压杆，将桩与桩连线间的钢筋作为拉杆，它们形成的桁架体系来承担上部结构传来的荷载。可以采用桁架模型计算出作为拉杆的桩顶钢筋需要承担的拉力，以计算承台底面的钢筋。桁架上部节点区是指柱子下部一定范围（从有限元软件分析和试验结果来看，大约在0.2倍的承台厚度范围内），下部的各个节点区是每根桩上一定范围（大约是2倍的底面钢筋保护层厚度范围内），这些节点区是保证桁架传力的关键，施工中要采取适当的措施保证节点的可靠连接。

图1 厚承台的主应力矢量

图2 厚承台的空间桁架模型

2 基于空间桁架理论的桩基础承台施工要点

2.1 承台底部钢筋的施工要点

从实验的裂缝（如图3所示）开展情况可以看到，如果桩顶锚固充分，裂缝先是出现在承台侧面底部的中间位置。即使荷载达到承台底面的开裂荷载，也是在桩与桩的对角线之间出现斜向的裂缝，只有荷载继续增加后，接近极限荷载时，才会扩展到桩外侧边缘。因此对于承台底部钢筋的布置，应注意以下两点：

（1）配筋要重视桩顶，在满足钢筋间距和最小配筋率的前提下，应首先保证在桩顶范围内的钢筋用量，可有效增大桁架模型中拉杆的作用。

（2）施工中，要保证承台底面钢筋伸出桩外侧的距离，双向钢筋绑扎牢固，以加强桁架模型底面角点处的锚固。

图3 承台试验中的裂缝图

2.2 承台混凝土的施工要点

从试验中承台破坏的情况（如图4）来看，桁架模型中的混凝土压杆的破坏机理并不是混凝土压碎，而是混凝土发生劈拉破坏[3]，且形成的破坏面都是从柱底延伸到桩顶。因此，在施工中要从以下两个方面，保证混凝土的施工质量：

（1）承台顶面与柱子接触部位，是桁架模型的上部节点区。由于一般在设计中柱子受轴压比限制混凝土等级较高，而承台的混凝土等级较低，有时两者等级相差较大，而上部节点区却要承受柱子传来的较大的局部压力。因此，施工前，首先要仔细查看设计要求，是否需在承台顶面柱底范围内预埋钢筋网，以提高此处的局部抗压承载力。此外，施工中还要特别注意的是承台体积一般较大，大量的水灰比较大的现浇混凝土浇筑后，顶面会有较厚的浮浆层，应清除后补浇，保证承台上部节点区的混凝土强度达到要求。

（2）在混凝土制备过程中形成的微缺陷（微裂缝、微空洞）萌生、扩展和连接，将导致混凝土宏观力学性能抗拉能力的劣化[4]。这些在上部荷载施加前就出现的因温度应力产生的微裂缝，会使得加载后裂缝快速贯通开展，造成混凝土的承载能力的损失。因此在施工中，要采取必要的措施，如混凝土外部保温保湿、采用低水化热水泥、添加缓凝剂等措施，以减少厚承台浇筑过程中因水化热引起内外温差过大而产生的温度裂缝。

图4 承台的破坏形态

2.3 桩及桩与承台连接的施工要点

从承台试验可以看到，由于承台其中一根桩安装的时候向外侧倾斜，使得这一处的角桩处承台侧面的混凝土最早开裂（如图5），这不同于图3（a）的最早开裂位置是在承台侧面的跨中位置。因此，对于施工中桩及桩与承台连接的施工，提出以下两点建议：

（1）规范[5]中对桩的垂直度允许偏差有明确要求，桩顶的允许偏差不能超过1%，但并未明确桩顶向哪个方向倾斜最为不利。而从试验结果来看，这种向外倾斜的桩，最为不利，此处裂缝的过早开展会降低承台对于角桩的抗冲切承载能力，施工中应避免。

图5 角桩向外倾斜引起的承台裂缝

（2）设计中，桩与承台的连接设计一般假定为铰接以确定基桩的竖向力。但从空间桁架模型看，桩头需要能承受一定的向外侧水平推力T（T的方向如图2所示），因此，桩与承台的连接实际是介于铰接和固结之间的，这就要求在施工中要保证桩顶嵌入承台的深度和纵筋伸入承台内的锚固长度。

3 结语

（1）桩基础厚承台的传力机理符合空间桁架理论，施工中应据此采用合理施工工艺和施工措施，提高承台的实际承载能力。

（2）承台的空间桁架模型理论在我国的桩基础规范中未被列入，但在我国的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范和加拿大的混凝土结构设计规范中已经采用这一原理。当前，可在满足规范要求的前提下，充分利用空间桁架模型原理指导桩基础厚承台的设计和施工。

[1]JGJ 94—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，赵庆明.应用ANSYS软件分析四桩厚承台的传力机理[J].长春工程学院学报：自然科学版，2011，12（1）：16－18.

[3]郭宏磊.配置腹部水平钢筋网的柱下承台冲切承载力研究[J].土木工程学报，2010，43（5）：79－88.

[4]项凯，余江滔，陆洲导.多因素影响下高温后混凝土劈裂抗拉强度试验[J].武汉理工大学学报，2011，30（10）：51－55.

[5]ZJQ00—SG—014—2006建筑地基基础工程施工质量标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[6]JTGD62─2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.