地震下的桩基承载力复核
小智审图2022-06-26

对超高层建筑来说,上部塔楼的性能化设计已经相对成熟。塔楼设计中的关键构件,我们一般要求做到大震不屈服。

但比上部塔楼更重要的结构基础,比如桩基础,大家却很少验算大震下的桩基性能。结构基础规范,也仅要求验算小震及风载作用下的桩基承载力。

过去我们一直都是这么干的。这里面的一个潜在逻辑是:如果桩基承载力满足小震/风载的设计要求,桩在大震作用下承载力也没问题。

先不谈这个逻辑对不对。我们回想一下,对常规建筑,我们如何实现“中震可修、大震不倒”?

我们是通过小震地震内力的一系列调整放大以及多种构造措施,然后希望达到这一目标。

但是,我们并不确定可以达到这一目标。

正是因为不确定,对超限高层建筑(以及其他复杂建筑),我们还需要进一步的性能化分析进行论证。基于相同道理:“满足小震及风载,桩在大震作用下也没问题”,也不是肯定的。

有朋友可能还是会坚持,桩的承载力富裕度很大,大震肯定没问题。富裕度很大,那是不是无穷大?如果不是无穷大,必然有个上限可作为设计参考。

所以,我们要先弄清楚,大震作用下,桩的承载力可以取多少?

我查了《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T2231-01-2020),“单桩的抗压承载力可提高至非抗震设计时的2.0倍”。另外,《建筑结构》上有两篇文章,也支持大震作用下,桩的承载力可以取极限承载力标准值。

仔细想一下,桩的极限承载力标准值,一般是通过静压试验得到的,而地震作为瞬时荷载,桩的承载力往往可以更高。所以,在验算大震时,桩的承载力取为极限承载力标准值,尚算合理。

参考桩基规范及上述讨论,很容易得到小震和大震作用下桩的承载力验算公式如下表所示。
1111.png其中,1.08的系数,是在基本组合与标准组合转换系数1.35的基础上,考虑抗震调整系数γRe=0.8;R为单桩抗压承载力特征值。

接下来,我们以一个实际项目进行复核。下图是小震下桩的承载力验算结果,均满足规范要求。柱下桩反力基本小于R(单桩抗压承载力特征值),个别达到1.10R<1.25R;核心筒承台下桩反力平均值为1.16R<1.25R,最大值为1.30R<1.5R。

1111.png

然后,按大震等效不屈服进行计算(考虑各种折减系数调整)。柱下桩反力最大值为1.38R<1.67R;核心筒承台下桩反力平均值为2.26R,最大值为2.69R,已大于大震的桩承载力2.0R以及桩身强度标准值。

1111.png

以核心筒下边桩为例,D+0.5L工况下的桩反力为50700kN,小震工况下桩反力为16252kN,大震工况下,桩反力为91094kN(小震的5.6倍),大震工况下桩反力约为D+0.5L工况下的1.8倍。

即使考虑材料强度设计值与标准值之间的关系,小震基本组合并不能包络大震标准组合。

这个实际项目表明:小震桩承载力满足要求,大震不一定满足要求。

有朋友可能会说,你这个项目是不是很特殊?

这个项目场地烈度为7度(0.1g),地震控,结构高度200m,高宽比为4.6,核心筒高宽比11.5,其实并没有很特殊。

你看,桩的大震承载力验算,是有必要的。尤其是,竖向荷载及小震作用下,桩反力比较接近承载力限值时,更应注意。

据文献介绍,建筑桩基的震害,其中一种就是:上部结构过大的水平惯性力引起桩-承台连接破坏或浅部桩身的剪压、剪弯破坏。
验算大震时,除了要关注桩的承载力是否足够,还要关注节点的冲切承载力、抗剪承载力等。

【参考文献】
1)古今强,关于设防烈度地震和罕遇地震下建筑桩基础竖向承载力的探讨,建筑结构;
2)杜鹏等,高烈度区超高层剪力墙结构桩基性能设计探讨,建筑结构。


文章已获转载权,来自于微信公众号【JIE构生活】 ,作者鲲鹏

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