桩柱一体结构环梁节点设计方法_马跃强.pdf

建筑施工第45卷第1期7桩柱一体结构环梁节点设计方法马跃强1,2 于亚磊1,2 富秋实1,2 张健1,21.上海建工二建集团有限公司 上海 200090；2.上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200090摘要：既有建筑增设地下空间的托换过程中，常采用的锚杆静压桩托换和一柱一桩（多桩）等方式均存在一定的制约因素，为此，提出了新型桩柱一体-环梁结构体系。桩柱一体-环梁结构体系，以低净空钻孔灌注桩施工技术为基础，将钻孔灌注桩同时作为桩基和地下室结构永久柱，解决了锚杆静压桩桩数过多、一柱一桩难以在既有结构中施工的问题。3种桩柱一体-环梁节点的界面连接形式的现场载荷试验结果表明，灌注桩-环梁节点的配筋可参考现有的钢管桩-环梁节点相关规范进行设计。基于对桩柱一体-环梁结构体系设计方法的研究成果，提出了一系列设计相关内容。关键词：桩柱一体；梁柱节点；界面连接；现场试验；设计方法中图分类号：TU765 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0007-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.002Design Method of Ring Beam Joint of Pile Column Integrated StructureMA Yueqiang1,2 YU Yalei1,2 FU Qiushi1,2 ZHANG Jian1,21.Shanghai Construction No.2(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Top-Down Method in Construction Engineering,Shanghai 200090,ChinaAbstract:In the underpinning process of adding underground space to existing buildings,there are certain constraints in the commonly used methods of anchor rod static pressure pile underpinning and one pile per column(multiple piles).Therefore,a new pile column integrated ring beam structure system is proposed.The pile column integrated ring beam structural system,based on the construction technology of low clearance bored pile,uses the bored pile as the permanent column of pile foundation and basement structure at the same time,which solves the problem of too many anchor rod static pressure piles and that it is difficult to construct one pile per column in the existing structure.The field load test results of three interface connection forms of pile column integrated ring beam joints show that the reinforcement of cast-in-place pile ring beam joints can be designed according to the existing relevant specifications for steel pipe pile ring beam joints.Based on the research results of the design method of the pile column integrated ring beam structure system,a series of design related contents are proposed.Keywords:pile column integration;beam column joints;interface connection;field test;design method承结构形式的基础上，提出了桩柱一体结构体系（图1），即采用低净空钻孔灌注桩成桩机械在既有结构中进行灌注桩施工，以灌注桩自身代替常规格构柱、钢管混凝土柱作为地下室结构的竖向支承构件，并采用环梁节点与水平结构体系进行连接（图2）。常规逆作法桩柱结构逆作法桩柱一体新型结构既有建筑地下室顶板地下室楼板地下室底板地下室柱围护结构桩基图1 逆作法桩柱一体结构体系目前阶段，桩柱一体设计施工往往运用于桥梁墩柱施工，在地下结构设计施工中尚无先例。上海建工二建集团在南京科举博物馆二期项目保留建筑的托换结构施工中，逆作法具备对周边环境影响小、噪声扬尘少、文明施工程度高等先天优势，决定了它在既有建筑下方地下空间开发技术中的核心地位。但对于既有建筑进行托换施工时，常规逆作法采用的格构柱或钢管混凝土柱等一柱一桩形式受既有建筑净高限制，并不能适用。若采用承载力较低的锚杆静压桩进行托换，亦存在桩过密等问题，且静压桩反力需精确计算控制，否则会对既有结构产生破坏1-2。为解决逆作法在既有结构地下空间开发过程中的现实问题，上海建工二建集团在传统一柱一桩的逆作法竖向支基金项目：上海市科学技术委员会科研项目课题（21DZ1203206）；上海市科学技术委员会“启明星”项目课题（20QB1403700）。作者简介：马跃强（1982），男，博士，教授级高级工程师。通信地址：上海市杨浦区河间路2号（200090）。电子邮箱：收稿日期：2022-12-08特稿SPECIAL ISSUE20231Building Construction8十字梁钻孔灌注桩/立柱环梁节点桩柱一体-环梁节点界面图2 桩柱一体结构环梁节点示意利用低净空钻孔灌注桩机械进行了桩柱一体的施工，开创了这一工艺的先河。但在南京科举博物馆二期项目中，桩柱一体结构地下室部分仅起临时托换支承作用，待承台形成，进行结构柱回做后仍需拆除，尚待进一步改进。桩柱一体竖向支承结构需与地下室水平梁板体系连接形成结构体系。传统逆作法中通常采用焊接传力钢板、钢筋穿越等节点形式，无法适用桩柱一体结构体系。传统托换结构体系中往往采用多桩托换支承，通过深梁、厚板等转换结构形成结构体系，转换结构配筋复杂，需待永久结构完成后进行托换结构的切割拆除，存在较大的资源浪费，施工步骤也烦琐。在参考钢管混凝土柱环梁节点的基础上，采用桩柱一体环梁节点，能很好地解决上述问题。目前对于桩柱一体新型结构的研究仍处于初期阶段，相关设计方法仍为空白。上海建工二建集团对3种界面连接形式的桩柱一体-环梁节点（图3）进行了现场荷载试验。本文围绕上述试验及其数据分析结构，并参考前人3对环梁节点的设计方法，研究桩柱一体结构体系的相关设计方法。立柱环梁节点十字梁立柱环梁节点十字梁立柱环梁节点十字梁U形箍筋立柱环梁节点十字梁界面凿毛界面凿毛界面凿毛（a）界面凿毛（b）预埋U形筋（c）预埋钢套筒钢套筒抗剪环筋栓钉立柱环梁节点十字梁立柱环梁节点十字梁图3 桩柱一体-环梁节点构造示意1 桩柱一体-环梁节点的设计方法桩柱一体-环梁节点的设计应包含以下5部分：地下室以下灌注桩的承载力设计计算；地下室部分结构柱的结构设计计算；桩柱一体结构环梁节点的界面设计计算；环梁受力配筋设计计算；其他构造要求。1.1 地下室以下灌注桩的承载力设计计算桩柱一体结构地下室以下部分应该按照常规灌注桩进行设计计算。依据JGJ 942008建筑桩基技术规范，桩基设计应满足以下条件：荷载效应标准组合下NkR；地震和荷载效应标准组合下NEk1.25R，RQuk/2，QukQskQpkuqsikliqpkAp。其中，R为基桩或复合基桩竖向承载力特征值，Quk为单桩竖向极限承载力标准值，Qsk为总极限侧阻力标准值，Qpk为总极限端阻力标准值，qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，qpk为极限端阻力标准值，u为桩身周长，li为桩周第i层土厚度，Ap为桩端面积。同时，尚需考虑既有结构的不均匀沉降，由于结构托换均为单桩承载，根据上述规范5.5.4条规定，有以下要求：sl0/500。其中，s为相邻桩基的沉降差异，l0为相邻桩基的距离。最不利工况应验算地下室结构开挖完成而底板未浇筑时的桩基差异沉降，桩基沉降应按上述规范5.5.14条规定进行计算。1.2 地下室部分结构柱的结构设计计算桩柱一体结构地下室部分应按照永久结构柱进行相关设计。根据GB 500102010混凝土结构设计规范，小偏心受压构件应验算正截面受压承载力与斜截面承载力，大偏心受压状态下的结构柱还需验算其裂缝宽度。对地下室部分桩柱一体结构进行设计计算时，轴力应考虑地下室结构荷载与托换结构传递下来的竖向荷载；弯矩除了结构内力外，还需考虑灌注桩定位偏差与垂直度误差引起的弯矩Mkx、Mky，可表示为：MkxMsxMex，MkyMsyMey。其中，Msx、Msy为x、y方向弯矩计算值，Mex、Mey为x、y方向由于灌注桩定位偏差与垂直度误差引起的弯矩。MeN(tHv)，其中：N为轴力设计值；t为灌注桩定位偏差，常取20 mm；H为单层结构柱计算高度；v为灌注桩垂直度要求，可达到1/500。1.3 桩柱一体结构环梁节点的界面设计计算桩柱一体结构设计的关键是要保证环梁节点与柱体之间的界面抗剪能力。依据上海建工二建集团对3种灌注桩-环梁界面的现场试验与相关研究，梁柱节点的抗剪承载力计算公式可表示为：VVfVuVnVr。其中：Vf为界面摩擦抗剪力，Vu为U形筋的抗剪力，Vn为栓钉的抗剪力，Vr为抗剪环筋的抗剪力。对于界面摩擦剪力Vf，由相关研究成果4可表示为：Vf1.1M/h0。其中：为剪跨比；M为截面弯矩；为界面摩擦因数，凿毛处理时取1.0；h0为有效截面高度。对于U形筋的抗剪力Vu，由相关研究成果5可表示为：Vu(Acnd2)ft0.6fynd2/4。其中：Ac为U形筋加固区域的面积，n为U形筋水平向插筋的根数，d为水平插筋直径，ft为混凝土的抗拉强度，fy为钢筋的屈服强度。马跃强、于亚磊、富秋实、张健:桩柱一体结构环梁节点设计方法建筑施工第45卷第1期9马跃强、于亚磊、富秋实、张健:桩柱一体结构环梁节点设计方法对于栓钉的抗剪力Vn，由相关研究成果6可表示为：.VAE fA fff0 430 7nscc csc usyuG=l。其中：Asc为栓钉横截面积，fc为混凝土圆柱体抗压强度，Ec为混凝土弹性模量，fu为栓钉的极限抗拉强度，fsy为栓钉的屈服强度。Vr表示抗剪环筋的抗剪力，由相关研究成果7可表示为：Vrmin(Vr1Vr2)，Vr1(Dd)dfc，Vr2lhfw。其中：Vr1为由抗剪环支撑面上的混凝土局部承压强度决定的受剪承载力，Vr2为由抗剪环与钢管壁之间的焊缝强度决定的受剪承载力，D为钢管外径，d为抗剪环筋直径，fc为混凝土抗压强度设计值，l为环形焊缝的总长度，h为焊缝的有效高度，fw为焊缝的抗剪强度设计值。根据现场试验材料的实测强度，可得到3种界面连接形式下梁柱节点实测承载力与梁柱界面计算承载力（表1）。表1 各试件实测与计算抗剪承载力试件类型梁端实测承载力/kN界面计算承载力/kNVf/kN Vu/kN Vn/kNVr/kNVr1Vr2界面凿毛480065106510预埋U形筋480073606510850预埋钢套筒480095306510100