受拉桩的空桁架间作用讨论

本文作者：郭宏磊 单位：江汉大学建筑工程系

目前，对全部基桩都为受压桩的厚承台尚有一定研究，但对不平衡弯矩作用下，存在受拉桩的厚承台却研究不多，为此，本文拟对其作进一步研究，其中梁拱作用机理将是讨论的重点。

1实验概述

1.1实验设计与制作见图1~图3，实验模型Sch为6桩承台，数量1个，比例1∶5，实测材料性质见表1。为保证桩与柱不在承台破坏之前遭到破坏，先预制C60的柱与桩，而后与设计强度为C30的承台整浇。

1.2加荷装置与加荷制度见图4~图5，立模时，承台的6个桩底以尺寸和桩横截面相同的厚钢板作底模，再加工6个可调节高度的螺丝，其一端与该钢板焊接，另一端则与反力架焊接，这样，承台以倒置的方式固定在反力架下，藉此可方便观察整个承台的裂缝开展情况。承台实验，其板面调平是个关键。为此，在板底4角放置了千斤顶，以与前述6个可调节高度的螺丝一起，调节承台面的水平度，同时，也用于承台的吊装与卸载工作。通过稳压伺服加载系统，用100t千斤顶施加水平力。千斤顶前放置传感器，再放置可调节距离的大螺丝，而后嵌固钢垫板与厚橡胶垫。为实测桩反力，在前述6个可调节高度螺丝的每个螺杆轴对称的4个方向上，贴有应变片。实验前，进行了非线性有限元分析，确定了加载制度，加荷等级5kN~10kN。

1.3破坏过程见图6~图8，Sch的破坏过程如下：1)承台顶部开裂前。承台底部钢筋应力微小，位于水平柱荷同一侧的承台底部纵筋承受压应力，该部位的角桩轴力为拉力；而在位于水平柱荷相异的一侧，其承台底部纵筋承受拉应力，其角桩轴力为压力。2)承台顶部开裂后。120kN时，位于承台顶部柱根部靠近水平施力端的一侧，出现了首条裂缝①，该裂缝一经出现，即在其两头分别沿着承台宽度方向，向着2侧面、4侧面，有着一定的延伸长度，呈现出明显的弯曲开裂特征，130kN时，又由裂缝①衍生出裂缝②。这一阶段，承台底部钢筋应力虽有所增长，但增长幅度偏小。裂缝的发展仅局限在承台顶部，总体延展有限，宽度也不大，因此，属破坏前的过渡阶段。3)破坏阶段。140kN时，承台顶部原裂缝①处，沿着宽度方向分别生出2条裂缝③，该裂缝一经出现，即迅急延展到2侧面、4侧面，呈对称状发展态势，此时，原有裂缝①~②的宽度急剧增大。加荷至145kN，2侧面、4侧面的裂缝③又发展成为接近承台底部的裂缝④，此时，承台底部钢筋应力陡然变号，与裂缝相交处的钢筋应力增幅激烈，原有的裂缝宽度急剧增大，稳压伺服系统已难以持荷，结构崩溃，属脆性破坏。以上3个阶段，承台底部未出现裂缝，其底部纵筋除破坏的瞬间，有所变化外，其余时段，均变化和缓，数值偏小；同时，位于水平柱荷同一侧的角桩始终承受拉力，相异一侧的角桩则始终承受压力，该2力始终保持线性增长，绝对值近似相等，而边桩轴力却始终基本为0，且以上桩反力的实测值与电算值始终保持着良好的吻合性。

2结果与分析

2.1破坏属性如前述，Sch由弯曲开裂开始，裂缝进展迅猛，条数有限，其走向由弯曲受拉边延伸到弯曲受压边，清晰而单一，破坏时，裂缝宽度较大，而弯曲受压边的纵筋未至屈服，整个构件呈弯曲拉断状，类同于少筋浅梁的弯曲破坏。2.2破坏原因图9为文献[1]C系列承台的基本配置与承载力情况，图10是其破坏形态。表2则是Sch与C系列的异同情况分析。从表2可见，Sch与C系列同为有受拉桩的厚承台，两者主要相差在弯曲受拉边的纵筋配置上，Sch因未有纵筋配置，在即使其冲跨比比C系列还要小的情况下，也抑制不了弯曲裂缝的扩展而为弯曲破坏，而见图10的裂缝①，C系列则尽管先有弯曲裂缝的产生与延展，但凭借其充足的纵筋配置，抑制了该裂缝的扩展而最终为冲切破坏。因此，厚承台在既可能发生弯曲破坏，也可能发生冲切破坏的情况下，其最终的破坏形式，取决于弯曲受拉边纵筋配置的是否充足。

2.3有受拉桩的厚承台可以在受弯的同时，存在空间桁架(STM)传力体系

2.3.1对Sch的分析1)实验研究。见图11~图14，承台底部纵筋在承台的长度方向，即受压桩-边桩-受拉桩方向；2个承台的宽度方向，即2种角桩的连线方向，呈现出较好的拉杆性能，而在边桩-边桩的连线方向上，由图8知，则由于边桩轴力始终近似为0，而近似为0力杆。此外，图7、图11~图13显示的与水平柱荷同一侧的承台底部纵筋受压，意味着其所对应的混凝土斜杆应为拉杆；而另一侧的底部纵筋受拉，则意味着其所对应的混凝土斜杆应为压杆，如果这一推论成立，那么，前者的角桩反力就应为拉力，而后者的角桩反力就应为压力，见图8，这一设想与实测桩反力情况完全吻合。因此，Sch的桩顶部位的底部纵筋构成了拉杆体系。2)有限元研究。图15~图19为用国际通用有限元软件ABAQUS所作的线弹性有限元分析，由前述的破坏过程知，Sch破坏前的塑性应力重分布极其有限，因此虽为线弹性分析，但也普适于Sch弯曲破坏前的任一阶段的受力状况。因此，在C系列的弯曲阶段，也有形如图24所示的STM传力体系。

2.4厚承台受力梁拱作用可以并存

2.4.1有受拉桩的厚承台梁拱作用可并存从结构受力机理角度，实际上，前述Sch与C系列的弯曲受力性能代表着梁作用，而与其同时存在的STM传力体系则代表着拱作用，这就意味着有受拉桩的厚承台可以梁拱作用并存。对此，有如下进一步的2点分析：第一，见图25所示，在水平柱荷附近，平截面假定不成立，但距离该受荷点越远，应变曲线就越接近于直线，平截面假定就渐趋成立。平截面假定的不成立代表着拱作用的成立，而平截面假定的成立则代表着梁作用的成立，所以，图25实际上表明梁拱作用可以分散于同一构件的不同区域中而同时存在。第二，图18与图22显示，在同一个主拉应力数值下，应力等值面所涵盖的区域，尚有较多非拉杆作用的区域，而主拉应力等值面代表着受拉作用较为强烈的区域，因此，在该部分区域肯定不是拉杆作用区域的情况下，它就应为梁作用区域。对比Sch与C系列破坏形态图中的弯曲破坏部分，以及第一点分析所显示出的梁作用区域，可以发现这3处梁作用区域是吻合的，由此也证明本点分析的正确性。

2.4.2梁拱作用并存在厚承台中具有一定的普遍性有如下2点意见：第一，文献[2―10]中的承台都是竖向柱压下的弯-冲破坏的厚承台，此时，它们的基桩都为受压桩，由文献[2―10]可见：一方面，在其弯曲阶段，也存在STM传力体系；另一方面，在其冲切阶段，在有放射状冲切裂缝产生的同时，也有原弯曲裂缝的进一步延伸发展及缝宽的扩大。这些，都给梁拱作用的普适性，提供了直接证据。第二，承台是由两向深梁耦合而成，因此承台与深梁应有相似的特性，而梁拱作用并存在深梁中具有一定的普遍性，由此推知，该特性也应被厚承台所具有。

3结论

(1)有受拉桩厚承台的顶部需配置足量纵筋，否则，将发生少筋浅梁的弯曲破坏。(2)有受拉桩的厚承台既可以发生弯曲破坏，也可以发生冲切破坏。(3)在弯曲与冲切两种破坏都可能发生的情况下，厚承台的最终破坏形式取决于弯曲受拉边纵筋配筋量的充足程度：弯曲受拉边纵筋配筋量不足将发生的是弯曲破坏，弯曲受拉边纵筋配筋量充足将发生的是冲切破坏。(4)有受拉桩的厚承台可以在受弯的同时，存在空间桁架(STM)传力体系。(5)有受拉桩的厚承台梁拱作用可以并存，并且该机理在厚承台中具有一定的普遍性。