桥梁桩基承台的剪切及冲切计算

摘要：本文通过对承台所受剪切力和冲切力的特征分析和比较对冲切和剪切的概念和具体验算的选择做进一步的说明，使我们更加明确剪切和冲切的概念和验算方法。

关键词：剪切 冲切 桩基承台

一概述

桥梁桩基承台是将桩基础和桥墩连接为整体的重要构件,通常结构是承台桩之上墩身以下的厚板，其作用为将桥梁上部荷载传递给桩基。承台内部应力分布较为复杂，影响因素很多, 而在桩承台的计算中，各规范均明确要求同时验算剪切承载力和冲切承载力。那么剪切和冲切有什么不同，各自验算方法又是什么呢？让我们试着分析一下。

目前国内桩基承台的计算方法，依据《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004(以下简称“新桥规”)，“新桥规”承台冲切和剪切验算在原规范的基础上进行了一定的优化和修正，但是冲切和剪切的概念却并不明确，以至于许多同志对这两个概念还很模糊，那么下面我们就加以总结和区分。

二剪切和冲切的概念解析

一般说来，柱下单独基础板双向受力，墙下条形基础板单向受力，冲切和剪切，其破坏机理类似，承载力均受混凝土的抗拉强度所控制。不同的是剪切破坏面可视为平面，而冲切破坏面则可视为空间曲面，如截圆锥、截角锥或棱台及其他不规则曲面等。故剪切又称单向剪切(one way sherar)；冲切有时候也称冲剪，又称双向剪切(punching, two way shear)。

也就是说，两者相比，冲切是一个空间概念。

三剪切和冲切的区别

我们还可以用小表来具体说明两者之间的异同：

破坏机理 混凝土剪切破坏机理复杂，同剪跨比，混凝土强度，荷载形式，结构类型均有关系。

1. 配箍率适当：剪压破坏

2. 配箍率过大，斜压破坏

3. 配箍率过低，同无腹筋梁，当剪跨比为斜拉破坏；当

剪切破坏的工况更为复杂；某些工况下两种破坏形式较类似。

破坏面 平面（二维）

斜截面 空间曲面（三维）

冲切破坏锥体

剪切又称单向剪切，冲切又称双向剪切

验算构件 梁，扩展基础，筏板基础，桩承台 无梁楼盖、柱下独立基础、梁板式基础、筏板式基础，桩承台（柱和平板连接处）。

验算工况 构件局部剪力较大时 集中荷载作用于板状构件平面外

基本公式 V≤0.7βhftbh0 Fl≤0.7βhftηumh0

验算选择 单向受力 双向受力

三具体验算方法

1. 抗剪验算

“新桥规”中承台斜截面抗剪承载力是完全根据原规范混凝土的抗剪能力公式转化过来的,与普通受弯构件的混凝土抗剪公式(“新桥规”5.2.10式)相比,抗剪承载力有较大的提高,其原因是虽然两者都是根据同一公式得到的,但普通受弯构件的混凝土抗剪公式,是按剪跨比取3、纵向配筋率取2%~3%简化而来,对承台而言,由于剪跨比远小于3,虽然配筋也较上述数值小,但计算结果会比“新桥规”5.2.10式的计算结果大,而且一般情况下,随着跨高比的减少,梁的斜截面抗剪能力有一定的提高,承台的斜截面抗剪承载力的公式也符合该规律。另外参考“桩基规范”中承台的5.6.8.2条公式,也可说明“新桥规”的规定是适宜的。

按“新桥规”计算抗剪承载力

V≤ （3－1）

例如：取承台受力拉杆的受力为4656.7kN,则受力钢筋面积为166.3cm2,其配筋率为P=0.378,承台取C20混凝土,计算宽度bs取2200mm,根据“新桥规”8.5.4条公式,剪跨比m=(100-48)/188=0.2766

英国混凝土桥设计实施规范BS5400 (1984)的抗剪计算采用的不同方法,抗剪强度由下列两个条件中较严重者控制:

(1)贯穿整个承台宽度的任何垂直截面的剪应力,相当于实心板的剪应力,一般情况,可用公式（3-2）控制。

ν=Δ/bd （3-2）

式中:Δ―由极限荷载产生的剪力

b―为所考虑的承台宽度;

d―承台受拉钢筋的有效高度。

当剪应力V小于ζsνc时,无须设置剪切钢筋;当V大于它时,应当像梁一样设置剪切钢筋,但可以把箍筋间距增加到d。

(2)桩的冲切剪力。可直接查阅该规范条文。

这对我们进行抗剪计算有重要意义，当遇到一些复杂问题时，某些时候我们可以用多种方法相互验算，已得出自己结论。

2.抗冲切验算

“新桥规”关于承台冲切承载力的计算是参照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94制定的,而该规范的冲切计算是参照《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)中冲切计算公式Fl≤0.7βhftηumh0制定的,而现行的“混凝土规范”和“新桥规”的冲切计算公式中的0.6因考虑了其他一些影响已调整为0.7。

这一公式适用于破坏椎体斜面与水平面夹角45 的情况，当夹角数值不同时，可按照“新桥规”进行冲切计算。

目前世界各国对承台冲切的计算方法，可依塑性理论，分为两类:

(1)第一类:构造错动性机动场，用塑性理论，求承载力上限解，简称上限解法。中国现有的含有承台冲切条文的技术法规，美国规范的正文等就采用的是该方法。

(2)第二类:从传力路径出发，构造合理应力场，求承载力下限解，简称下限解法。

承台的冲切，因桩基与地基土的加人，较为复杂。

上限解法暴露了以下弱点:

①理论本质求取的是高于真实极限荷载的承载力值，因此从它产生之日起，即具有不安全的因素在内;

②较大冲跨下的承台，可以见到柱头下陷的错动性机构，而小冲跨下的承台，即习称的厚承台，这一现象却未能见到;

③所假定的错动性机构中，变形总集中于塑性区(称为刚性区)，而其它区域则没有变形;

④不同于板的冲切面，承台冲切破坏面往往不是规则的几何形状，受柱和桩的位置影响十分强烈，比较复杂，而实际研究中，却往往又将其高度简化为某一规则图形;

⑤错动性机构的假设，意味着冲锥斜截面上的应力全部处于剪压状态，而目前我们已经知道，冲锥斜截面的中部是劈裂区，因此这一应力分布也非实情。

以上情况，最终导致了上限解法在准确性、适用性、可操作性等方面存在诸多弊端，使得近年来承台冲切的国际学术发展方向已由上限解法过渡到下限解法。

相比之下，下限解法具有明显的优势:

①虽然没有虑及变形协调条件，但却由此构造了小于真实极限荷载的承载力值，在理论本质上，先天就比上限解法具有更可靠的安全保障;

②着眼于合理应力场的构造，从根本上消除了产生虚假应力场的可能性;③力学概念清晰，思路简捷明快，有着更好的适用性与可操作性;④可以顺应应力流来合理配筋，从而在不提高配筋总量的前提下，提高结构承载力。

下限解法的诸多优点，已使其成为当前国际结构工程界的学术热点之一。目前欧美国家的有关冲切条文的技术规范中，纷纷采用或正处于采用下限解法的过渡中。可以说，当前，下限解法正冲击着世界各国的钢筋混凝土结构技术法规，成为目前钢筋混凝土结构研究的热点问题。目前来看，这也是我国规范的发展趋势。