线荷载下桩承台按空间桁架模型的设计方法分析

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1、3．本文所研究的内容一般意义上的承台结构，包括桩柱基础和桩墙基础，是表示柱与桩、墙和桩之间的连接构件。高层建筑更多的是采用桩梁、桩筏和桩箱基础，其中的连接结构梁、筏基和箱基应视为广义的承台结构，具有确定的刚度。前已叙及，桩筏基础的设计需要解决的问题甚多，由于条件的限制，本文不可能对诸多因素作全面的研究。比较起来，其中承台(筏板)的设计研究更具有必要性、迫切性、复杂性。桩柱承台、桩墙承台是一个钢筋混凝土构件，它的设计应有如下三个环节：(1)承台尺寸的确定问题——由于承台的平面尺寸由桩径和桩间距决定，该问题主要归结于承台厚度的确定问题

2、；f2)承台的破坏模式以及相应的内力分布问题；(3)与承台传力模式相对应的承台工程设计问题。对于桩柱承台，东南大学经过多年的试验和理论研究，这三个环节都已取得比较成熟的结果，但对桩墙承台还没有提出明确的解决方法。对于桩墙承台，墙上荷载可视为线荷载，首先要解决的是桩墙承台的传力机理是否也为空间桁架，只有先明确了这一点，才能把桩柱承台的研究成果运用到桩墙承台上去。再者要确定空间桁架的模型，因为线荷载下承台的传力机理非常复杂，所以要确定一个原则，忽略影响小的部分，对影响大的部分进行简化，得出简单实用的空间桁架模型，以期建立一个合理的计算

3、桩基承台承载力的设计公式，更好地为实际工程服务。本文研究的内容如下：(1)分析国内外关于板冲切承载力的计算理论及关于桩柱基础承台的设计方法；(2)通过六个试件的试验研究，来确定桩墙承台的传力机理是空间桁架；(3)通过理论分析来进一步确定桩墙承台的传力机理和破坏模式；(4)通过应力流图形提出等效集中荷载的概念，运用有限元分析确定线荷载下的桁架模型：(5)推导斜压杆的强度公式，进而提出桩墙承台的设计建议。第一章承台设计理论的研究第一章承台设计理论的研究§1．1板的冲切破坏理论目前板的冲切破坏理论是建立在薄板基础上的。由于平板冲切破坏的

4、复杂性，不同的研究者所采取的破坏机理也不尽相同，从而导致理论计算模式各有差异，因此各国学者至今在不断地探索板的冲切破坏机理。比较有代表性的有：屈服线理论，刚塑性理论，脱离体理论，空间壳体模型理论，数值解法等。1．1．1屈服线理论早期的研究者，由于观察到冲切破坏时节点周围的受拉钢筋屈服，提出了用屈服线理论求解平板的冲切强度。实际上，这是用板的弯曲强度取代了冲切强度，至于冲切破坏时受拉钢筋是否屈服未予涉及。受拉钢筋是否屈服主要取决于配筋率的大小。当配筋率较小时，靠近柱边的钢筋会屈服，远离柱边的钢筋应力均较小，一般不屈服：当配筋率较大时

5、，就连靠近柱边的钢筋也不会屈服。因此，用屈服线理论求解平板的冲切强度仅适用于弯曲破坏和冲切破坏同时发生这一特殊情形。所以，当配筋率很小时，板的极限强度取决于弯曲强度，而配筋率逐渐增大，冲切效应才会逐渐增强。轴心荷载作用下中柱节点破坏的屈服线形式有图1．1所示的四种。(a)图1．1屈服线模式根据以往的试验结果，图1-1(d)是较为理想的方柱方扳在中心荷载作用下的屈服线模式。——一一苎二望垦鱼垦堡堡堡塑婴塞一～一'V■!：!!!；。S些二堕／三p～一4—0L、—二—=—、———二—————一J。——!!——÷闰卜2屈服机构产生的虚位移

6、根据图(I--2)中所示虚位移，运用平衡条件和虚功原理得嘲％b+留对于钢筋混凝土平板的m。。可按下式计算旷以怕一o．s譬)式中，p一平板配筋率；(1—2)^一钢筋屈服强度；‰一板截面有效高度；L一混凝土弯曲抗压强度。2．刚塑性理论解12】当把混凝土材料假定为理想的刚塑性体时，可利用塑性理论来解平板的冲切强度。(1)混凝土为理想的刚塑性材料(图1-3)。塑性强度yZ可按混凝土吸收能量相等的原则确定，表达为：以毛=fz陪c≯卜+附圳s甜m，，对右式积分并整理，得混凝土塑性系数为：，。：—2so／3+0．9—25(8u-80)(1-4)

7、若取80=0。002，毛=O．003，则y。=0．75第～章承台设计理论的研究]。————一——，—，．．——J——，————————l———．—．—～——一O．002。0．003。l芏Il·3混凝土本构关系(Hongnestad模型)图卜4破坏准则(2)混凝土强度破坏准则，可引用修正的Mohr-coulomb本构关系(图1．4)：曼+上(丢)2=l(1-5)4kYt{t?Yt{?j其中，女=去b+2(1一丽)]m：益五ytjt式中，六一混凝土抗压强度设计值：，：一混凝土抗拉强度设计值：近似取一=儿=0．75。ⅡI】一I1I一图1

8、．5冲切破坏机构(3)假定冲切破坏机构如图l一5所示，它由三部分组成：I为轴对称的刚性破坏锥体：II为破坏锥面外的刚性板面；III为塑性连接区，当锥体产生一竖向位移“时建立虚功方程：E。“2E彤幽2j：l％f(1+kct92a)sinadA(1-6