随着高层、超高层建筑的发展, 桩基以其承载力高、能减少地基不均匀沉降和抗震性能好等优点, 在工程上得到广泛的应用。桩基承台起着承上启下的作用, 是桩基础的重要组成部分, 在设计中应予重视。因此, 对桩基承台的受力机理及其承载力的研究具有重要的理论意义和工程参考价值。

在实际工程中, 为了满足承台承载力的要求, 使单根桩都落在45度冲切锥范围内, 桩基承台做得相当厚, 其三维尺寸比较接近。为了提高其承载力, 并且达到减小承台厚度的目的, 笔者根据钢纤维混凝土抗拉、抗剪性能强和抗裂性能好等特点[1], 进行了钢纤维混凝土二桩厚承台试验研究。本文仅就影响承台极限承载力的因素作了分析。分析结果可以作为研究钢纤维混凝土二桩承台的抗冲切、抗剪切及配筋计算的基础, 为《钢纤维混凝土结构技术规程》的修订提供试验依据。

《1 试验概述》

1 试验概述

《1.1试验目的》

1.1试验目的

本试验以探讨钢纤维混凝土二桩承台的传力机理与传力模式为目的, 建立其承载力计算公式。通过改变不同参量, 考查混凝土强度、承台有效厚度h0、钢纤维体积率ρf、钢筋用量As及配筋方式等主要因素对承台开裂荷载Pcr与极限承载力Pu的影响。

《1.2试件制作》

1.2试件制作

试件按具有代表性的钢筋混凝土预制桩截面尺寸和常用的桩间距设计[2]。钢纤维混凝土二桩承台共制作4组15种30个试件, 取距厚比w/h0在0.45～1.27之间 (w为桩中心至最近柱边的水平距离, h0为承台有效厚度) , 其中4种为不含钢纤维的普通混凝土对比试件, 11种试件的钢纤维体积率分别为0.5%、1.0% 或1.5%, 有三种试件钢纤维体积率相同但钢纤维的长径比lf/df不同 (见表1) 。

按1∶5的模型率确定钢纤维混凝土二桩承台的尺寸, 试件的详图如图1所示。混凝土强度等级为C30;承台底部混凝土的保护层厚度为40 mm。

试件材料采用425#普通硅酸盐水泥、中砂、10～20 mm碎石, 钢纤维为剪切型, 长径比为31、38.6和46.6。采用Ⅰ级热轧光面ϕ8钢筋。混凝土采用强制式搅拌机拌制, 室外自然环境养护, 试验时混凝土龄期为28 d。

表1 钢纤维混凝土二桩承台实测参数与试验数据一览表

Table 1 The actually measured parameters and experiment result in test

《表1》

试件
编号		h/mmρf
/%		底部受
力钢筋		ρs
/%		w/h0fcu
/N·mm-2		pcr
/kN		pu
/kN		lf/df备注
CT1-1
CT1-2
CT1-3
CT1-4
CT2-1
CT2-2
CT2-3
CT2-4
CT2-5
CT3-1
CT3-2
CT3-3
CT4-1
CT4-2
CT4-3		350
350
350
350
250
250
250
250
250
200
200
200
150
150
150		0
0.5
1.0
1.5
0
0.5
1.0
1.0
1.0
0
0.5
1.0
0
0.5
1.0		6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8
6ϕ8		0.42
0.42
0.42
0.42
0.58
0.58
0.58
0.58
0.58
0.76
0.76
0.76
1.09
1.09
1.09		0.45
0.45
0.45
0.67
0.67
0.67
0.67
0.67
0.67
0.88
0.88
0.88
1.27
1.27
1.27		39.48
39.04
39.78
36.41
39.48
39.04
39.78
36.47
40.90
39.48
39.04
39.78
39.48
39.04
39.78		350
400
420
480
180
250
230
200
250
110
130
140
90
100
130		690
715
778
890
408
506
560
490
620
329
380
410
290
290
310
38.6
38.6
38.6

38.6
38.6
31
46.6

38.6
38.6

38.6
38.6		对比试件



对比试件




对比试件


对比试件

注:h为承台试件厚度;fcu为混凝土基体立方体抗压强度;ρs为纵向钢筋配筋率;ρf为钢纤维体积率;pcr为试件的开裂荷载;pu为试件的极限荷载。

《图1》

图1 试件详图

图1 试件详图  

Fig.1 The detail of test specimens

试验时, 用同批浇捣的150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试块测定其实际立方体抗压强度, 用同批截取的钢筋试件测定其实际屈服强度和极限抗拉强度。

《1.3试验装置及测试方法》

1.3试验装置及测试方法

整个试验系统 (如图2所示) 由加载装置、应变测量装置和数据采集装置组成。加载装置为YES-500型压力机, 用YJ-25型静态电阻应变仪测量承台底部受拉钢筋应变和侧边混凝土应变, 数据由应变仪接计算机采集、输出。用百分表测量承台底部中点挠度, 用放大镜观察承台的裂缝开展与分布情况, 记录承台的pcr与pu。

采用逐级加载方式, 每级荷载增值为预估破坏荷载的10%～15%, 临近破坏时减半, 每级加荷后持荷4～5 min, 然后进行观测、读数。

《图2》

图2 试验装置全貌

图2 试验装置全貌  

Fig.2 Loading apparatus and instruments

《1.4试件参数及试验结果》

1.4试件参数及试验结果

试验实测参数与主要试验结果见表1。试验结果表明, 钢纤维混凝土二桩厚承台的破坏主要是由于桩柱连线范围内的混凝土或钢纤维混凝土柱的劈裂破坏引起的, 试验中尚未发现因柱的冲切作用而破坏的试件。图3、图4所示为典型试件破坏时的裂缝分布与破坏形态。

《图3》

图3 试件CT1-3破坏时裂缝分布

图3 试件CT1-3破坏时裂缝分布  

Fig.3 Crack distribution on failure of CT1-3

《图4》

图4 试件CT3-2破坏时裂缝分布

图4 试件CT3-2破坏时裂缝分布  

Fig.4 Crack distribution on failure of CT3-2

《2 承台极限承载力的主要影响因素》

2 承台极限承载力的主要影响因素

笔者在文献[3]中, 已从整个试验过程的观察分析和试验结果的归纳统计中得出:影响承台极限承载力的主要因素有钢纤维体积率、钢纤维长径比、混凝土强度、承台有效厚度、承台剪跨比、配筋率与配筋方式等。

《2.1钢纤维体积率ρf》

2.1钢纤维体积率ρf

二桩厚承台的破坏主要是由于桩柱连线范围内的钢纤维混凝土柱的主拉应力超过钢纤维混凝土的抗拉强度, 而使混凝土柱产生劈裂破坏。钢纤维的掺入能有效阻止混凝土裂缝的产生, 因而能提高承台的极限承载力。

承台试件的极限承载力随钢纤维体积率的增加而大致呈线性增加。图5为承台的pu/ (fcuAs) 与ρf 关系曲线, 当0≤ρf≤1.0%时, ρf对承台影响不大, 对薄承台 (如第四组试件, h0=110 mm) 基本不产生影响。当1.0≤ρf≤1.5 %时, 对厚承台影响很大。由此可见, 为了经济有效地提高承台极限承载力, 在较薄承台中, 钢纤维掺量不宜过大;在厚承台中, 钢纤维的体积率宜控制在1.0%～1.5%之间。

《图5》

图5 pu/ (fcuAs) -ρf关系曲线

图5 pu/ (fcuAs) -ρf关系曲线  

Fig.5 pu/ (fcuAs) -ρf curve

《2.2钢纤维长径比lf/df》

2.2钢纤维长径比lf/df

钢纤维长径比lf/df是影响钢纤维混凝土受力特性的主要因素之一。图6所示为由试件CT2-3、CT2-4和CT2-5试验结果所绘的pu/ (fcuAs) 与lf/df关系曲线, 三个试件除了fcu和lf/df不同外, 其余参数均相同。由图7可以明显看出承台极限承载力pu随着长径比lf/df的增大而提高。

《图6》

图6 pu/ (fcuAs) -lf/df关系曲线

图6 pu/ (fcuAs) -lf/df关系曲线  

Fig.6 pu/ (fcuAs) -lf/df curve

《图7》

图7 pu/ (fcuAs) -h0关系曲线

图7 pu/ (fcuAs) -h0关系曲线  

Fig.7 pu/ (fcuAs) -h0 curve

《2.3混凝土强度等级》

2.3混凝土强度等级

由试件CT2-3、CT2-4和CT2-5试验结果可以看出, 随着混凝土强度等级的提高, 承台极限承载力也相应地提高, 承台极限承载力与混凝土抗拉强度成正比关系。

《2.4承台剪跨比λ=a/h0》

2.4承台剪跨比λ=a/h0

承台剪跨比λ反映了承台中弯矩和剪力的比值, 也是影响承台极限承载力的主要因素之一。一般厚承台中, λ≤1.0, 其破坏主要是由于冲剪作用引起。对于相同承台平面尺寸, h0越大则a/h0越小 (a为柱边至桩边的水平距离) 。试验表明随着λ的减小, 承台的极限承载力呈线性增长趋势。

《2.5承台有效厚度h0》

2.5承台有效厚度h0

试验表明承台有效厚度h0是影响承台极限承载力的主要因素之一。由图8可见承台极限承载力随着承台有效厚度的增加而线性增长。

《图8》

图8 各种破坏类型的p-Δh0曲线

图8 各种破坏类型的p-Δh0曲线  

Fig.8 p-Δh0 curve of different failure

《2.6配筋量与配筋方式》

2.6配筋量与配筋方式

钢筋用量对承台极限荷载的影响是不可忽视的。由文献[4]可知, 承台极限承载力随钢筋用量As增加而线性增加。在传统的设计方法中, 认为当桩落在承台45°冲切锥体以内时, 承台只要能满足抗剪和抗冲切强度要求就可以按构造配置钢筋的做法欠妥, 忽略了底部钢筋对承台抗冲剪的贡献。

配筋方式对承台极限承载力的影响越来越引起人们的重视。国内外的研究表明[5], 承台的配筋方式应与其传力机理和传力模型协调起来, 合理的配筋方式可使承台极限承载力提高20 %左右。通过分析钢筋应变、混凝土应变、裂缝开展及破坏形态, 认为钢纤维混凝土二桩承台的传力模型可采用空间桁架模型或拉压杆模型, 桩径范围内的钢筋起拉杆的作用。研究表明[6], 钢筋集中布置在桩径范围内是最有效的。

《2.7柱桩界面尺寸的影响》

2.7柱桩界面尺寸的影响

一般厚承台中, 距厚比w/h0≤1.0, 其破坏主要是由于弯剪作用引起。对于相同承台平面尺寸, h0越大则w/h0越小 (w为柱边至桩中心的水平距离) 。试验表明随着w/h0的减小, 承台的极限承载力呈线性增长趋势。当h0和承台长边尺寸一定时, 随着桩、柱尺寸的增加, 距厚比相对变小, 承台极限承载力呈增长趋势。

《3 承台的破坏类型》

3 承台的破坏类型

通过试验得出的荷载-挠度 (p-Δ) 关系曲线 (如图9所示) 与公认的荷载-挠度关系曲线 (如图7) 的对比[7], 可以看出薄承台的破坏类型为弯曲破坏, 而厚承台的破坏类型随着距厚比的降低由弯剪破坏向冲切破坏过渡。

在受弯构件中, 沿构件纵向变形相对较小可以忽略不计。由文献[8]可知, 承台纵向变形已经达到与竖向变形同一量级, 而且随着承台剪跨比的减小, 纵向变形还超过了竖向变形。

综上所述, 厚承台的破坏已不具备弯曲破坏的特征, 属于弯剪或冲切破坏。

《图9》

图9 试件荷载-挠度曲线

图9 试件荷载-挠度曲线  

Fig.9 Loading-deformation curve of specimens

《4 结论》

4 结论

1) 影响承台极限承载力的主要因素有钢纤维体积率、钢纤维长径比lf/df、基体混凝土强度、承台有效厚度、承台剪跨比、配筋率与配筋方式等。

2) 钢纤维混凝土二桩厚承台的破坏类型为弯剪或冲切破坏, 其传力模型可简化为空间桁架模型或拉压杆模型;

3) 钢纤维的掺入能有效地延缓承台的开裂, 减小承台有效厚度, 提高承台开裂荷载和极限承载力, 改善承台的延性性能;

4) 承台的极限荷载随钢纤维体积率的增加而增加。厚承台钢纤维对承载力贡献更经济;

5) 配筋方式对承台极限荷载也有较大的影响, 同等条件下, 将钢筋集中布置在桩径范围, 较钢筋均匀布置, 其极限荷载可提高17%左右。因此, 配筋方式的选择应与承台的传力机理和传力模型协调起来。