特殊工程中承台冲切厚度设计处理方法

□文/王克峰 宋 彻

一直以来，基础底板或承台的厚度都是由冲切控制的。为满足冲切安全性，承台的厚度往往较基础底板下皮增加较多，施工中形成各种下柱墩施工过程。这种结构方案，从规范角度偏于安全，一般情况下也不会造成多大的难度，一直是带地下室结构的首选方案之一。但是，在一些特殊的情况下，施工过程中对于下柱墩的施工工序非常敏感，往往成为基础施工中的难点。例如：鄂尔多斯的碧利斯风情广场施工，由于土质坚硬，对于局部下柱墩的开挖与平整非常困难。再如：天津东疆港商贸联检楼的施工，由于土质很软，局部下柱墩的开挖与平整也较为困难；同时由于工期紧，没有时间进行长时间的下柱墩开挖施工。

1 规范背景研究

以上工程实例，都提出一个共同的问题:能否采取合理的措施，有效降低下柱墩的高度，提高施工效率。但是，从我国目前有关承台厚度控制高度的条文来看，都是直接采用混凝土厚度指标来保证冲切的安全性。

诚然，可以采用调整桩布置，提高混凝土强度的方法来改善承台的抗冲切性能。但是，首先混凝土强度的提高带来水化热提高等问题，在大体积混凝土的应用中有一定的限制，而桩布置的方案也最多保证一根桩反力在减小冲切荷载中的发挥，手段比较有限。从混凝土规范中关于冲切荷载计算公式中可以发现，在相同的受力机理下，结构抗冲切性能能够引入钢筋的作用。那么，是否在承台冲切问题上，可以采用同样的处理方法呢，需要从承台冲切的计算原理中寻找答案。

目前，工程界对承台冲切的计算方法，总的来说可以分为上限解法和下限解法2种观点。

1）按照构造错动理论，求解承载力的上限解，简称为上限解法。中国规范中含有承台冲切的条文，都是按照这个理论进行的。

2）按照传力路径出发，构造合理的应力场，求解承载力的下限，简称下限解法。欧美的一些国家都是采用的这种方法求解承台冲切问题。

从本质上说，这2种是近似的方法，都采用了塑性理论，在分析条件上都采取了一定程度的假设。

但是，由于错动理论求解的是承载力的上限，因此其理论计算结果要高于实际承载力；错动理论的基础是对于较大冲跨比的情况下，柱根部位出现相对的下陷错动机构而推论出的，在小冲跨比情况下，也就是常见的厚承台，这一现象表现不出来。所假设的错动机构中，变形总集中在塑形区（冲切锥范围内），其他部分没有变形。不同的承台冲切面形状复杂，受到柱与桩位的影响，而错动理论则将这一复杂形式简化成一个规则的图形，也就是规范中提出的承台冲切范围。错动理论假设意味着冲切面上，混凝土处于剪压状态，而实际上冲切面的中部，混凝土产生的是劈裂破坏。

正是由于上述各种错动理论假设，斜截面上的受拉性能对混凝土抗冲切能力的提高没有得到体现。因此，在承台的冲切中，我国规范没有加入斜截面钢筋的作用。在实际的设计中，所有的基础承台或底板的冲切，都是采用混凝土直接承受的解法来进行。诚然，这种工程处理方法在一般情况下，节省了钢筋用量，简化了施工。但是，在一些特殊的施工，设计条件下，往往限制了工程设计人员的解决思路。

相比之下，下限解法具有优势。

1）在下限解法中，将结构比拟为空间桁架体系，桩与柱之间的混凝土为桁架的斜腹杆，受力状态为受压，桩顶面上的钢筋为桁架的受拉弦杆。受压腹杆的两端，是受力较为复杂的剪压区，其尺寸基本维持在0.6倍的桩横截面面积上。这种比拟，类似于混凝土受弯构件斜截面受剪承载力分析的比拟。因此，从这种理论出发，有效提高斜压腹杆的承载力，就能够提高整个空间桁架的受力性能。

2）从这种桁架理论出发，桩顶面的配筋分布不应该是均匀布置的。越靠近桩顶，能够与斜压腹杆形成桁架的钢筋，将更能够提高结构的整体性能。而这一结论，也得到了试验的证实。有试验表明，集中于桩顶的配筋形式，较均布配筋，承载力提高1.27倍。

3）由于钢筋对混凝土劈裂的约束作用得到体现，因此，我国规范中所提及的厚大体积基础中层钢筋的作用也能够从另一角度解释。通长，如果按照规范的说法，厚大体积混凝土的中层钢筋是为提高混凝土的抵抗温度变形能力以及在施工中充当一部分架立钢筋作用。从实际分析的角度，中层钢筋对混凝土温度应力的调剂作用不明显；对混凝土的劈裂作用则能够起到一定的积极作用。

比较我国现行的混凝土规范中与结构冲切相关的条文以及与承台冲切相关的规范条文，可以发现，对于特殊情况下，能够从结构基本受力性能的原理出发，采用配置部分抗冲切钢筋的方法来减小承台的冲切厚度，减小施工的难度，提高综合经济效益。

有研究表明：冲切模型中，斜腹杆混凝土的承压能力是决定承台冲切能力的主要因素，混凝土冲切模型可从另一个角度来计算

式中：fce是混凝土棱柱体轴压强度设计值。而从混凝土轴心抗压强度提高原理来分析，有效提高其侧变形约束力是提高混凝土轴心抗压强度的有效方法。

针对这种观点，本文利用ANSYS，进行了一个四桩承台的拓扑优化分析，质量优化控制在80%。其目的是验证承台中材料的实际应力分布情况。从利用效率最高原则出发，拓扑优化的结果见图1-图4。

图1 结构有限元模型

图2 结构拓扑优化分析结果（平面）

图3 结构拓扑优化分析结果（透视1）

图4 结构拓扑优化 分析结果（透视2）

从模型分析结果看，从柱底到桩顶之间的混凝土斜压杆的利用效率最高。同时，此压杆在中间部分，呈现增大趋势，说明在此部分的混凝土受压承载力需求要高于其他位置的压杆。为提高其承载力，可以采用增设垂直约束钢筋（冲切钢筋）的方法予以加强。

2 工程实例

对于特殊条件下的施工基础下柱墩施工，有时土方开挖的费用相当高。鄂尔多斯工程，由于土质坚硬，对于1 000mm高3 m×3 m的下柱墩，平均需要2～3名工人采用风镐开挖2 d左右时间才能达到基础验收的要求。如采用大型挖掘机械配合，也需要人工1 d时间进行边坡的修正工作。而对于像东疆港这样软弱土质，下柱墩的大面积开挖，同样给施工带来很多的困难。

针对这种工程情况，为满足施工进度的要求，在东疆港商贸联检二期基础设计中，采用增设柱下抗冲切筋的方法，减少下柱墩的设计，见图5。

图5 “商贸联检二期”基础暗柱墩设计方案

图5中，虚线内为暗柱墩的配筋范围，柱墩内纵筋的配置在此范围内进行。而填充部分则表示此部分的基础板厚度不足以抵抗柱下冲切力的作用，需要增设冲切钢筋来抵抗冲切力，采用GB 50010—2011《混凝土结构设计规范》中6.5.3公式计算。

统计整个工程的地下底板混凝土工程，由于采用“暗柱墩”方案，工程共减少下柱墩土方开挖60×36×0.2=432（m3）并减小相等数量的混凝土方数。其余与之相关的施工措施，如：工期、降水、基坑修整、防水铺设接缝措施等则都相应简化。（本工程由于特殊性，采用了预制混凝土实心方桩，因此单柱下桩数较多，柱墩较大。）

同时，可以发现，由于增设抗冲切钢筋，基础钢筋用量相应增加，上述60个暗柱墩中总共增加钢筋（筏板按照1 m计算，柱按照平均700mm计算）[0.5×2+(0.9/sin60°)×2+0.7+0.1]×4.9×10-4×20×7.8×60=17.8（t）

经过上述比较，在保证结构冲切安全的前提下，材料费、施工费用节约了较多。目前，本工程已进入上部主体施工阶段。

3 方案的设想与推广

由于第一次大面积的采用增设承台冲切筋的方法来进行结构基础的设计，因此在设计过程中对于多数的承台高度依然采用了带有一定冲切高度保证率的方法来确定基础底板的厚度。如果在工程足够安全的前提下，对本工程全部下柱墩的冲切设计均采用附加冲切钢筋的做法，在保证防水板足够厚度（500mm）的前提下，则从理论上可以减少下柱墩开挖并节约混凝土约7 000 m3。这种结果如果对于一个基础条件相对复杂，开挖、降水、维护、工期等成本较高的地下工程，是有一定的优越性的。

4 总结

通过对规范背景的分析以及实际工程需要出发，本文对比分析了规范中针对混凝土工程不同冲切破坏的计算方法。提出了采用抗冲切钢筋代换增厚下柱墩的基础设计方案并将这一方案在某一特定背景的工程中进行了应用。从目前的设计效果，施工效果，经济效果来看这种设计能够满足工程的安全性，同时有利于施工。在特殊的基础施工条件下，是一种值得尝试的方案。