关于悬臂钢桩入土自平衡的分析与探讨

陈映瑞

广州市住宅建筑设计院有限公司 广东省，广州市510000

【摘 要】：本文探讨了某单悬挑廊架钢结构采用钢柱直插入土兼做桩基的设计及研究。文章首先简要介绍了本工程单悬挑廊架的结构特点。而后利用有限元软件SAP2000，对钢柱直插入土在上部单悬挑雨棚的作用与土层对钢柱（钢桩）的约束间相互关系进行模拟分析，并对钢柱入土深度进行了定性的分析探讨。研究了该悬臂钢桩入土自平衡的可行性，并对入土深度有了更准确的把握，对类似设计有直接的参考意义。

【关键词】：悬臂桩；入土深度；自平衡； SAP2000　

1 工程概况

广东省惠州市某园林临时展示廊架，其建筑功能上一侧为宣传展示牌架，上方为单悬挑雨棚屋面。为满足甲方高周转，快速完工的要求，考虑到施工的便利性，采用钢结构单榀悬挑结构，提出通过钢柱直接下插入土，不再另外做基础的方案。钢柱（兼做钢桩）截面为HW250x250x9x14。为定性分析悬臂柱（桩）入土，在柱底内力及土层反力作用下的自平衡变形状态，探究悬臂桩的入土深度等问题，本文选取单榀结构进行分析，采用美国CSI公司的有限元软件SAP2000对入土部分的单个钢桩进行建模分析。

2. 
   

3. 悬臂桩土压力作用及桩底支座假定

（1）土弹簧的模拟

根据勘察资料，并简化分析，本分析入土范围内的土层均为粉质黏土（硬塑）。根据《桩规》表5.7.5，取地基土水平抗力系数的比例系数m=20MN/m⁴，钢桩在受力方向的迎土宽度b=250mm。

参考《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007附录P相关m法应用的理论，将入土部分每1m作为一个弹簧单元，土层对桩身作用以弹簧的形式模拟作用，弹簧刚度按公式 计算，其中z为土层中点距离地面的距离，取 。以1m为深度增量，相应计算出各深度段的弹簧刚度见表1或表2，在模型中以指定节点弹簧刚度的方式考虑每1m深度土层对钢桩的土压力作用。

（2）桩底约束

本工程单桩所受到的竖向力较小（N_k=42kN），以3m桩长计桩摩阻力所能提供的桩抗压承载力特征值为Ra=30x（0.25x2+0.25x2）x3/2=45kN即能满足要求。为定性地分析在外力作用下的桩变形情况，本次分析对桩底支座U2平动及R1方向转动自由度放松未作约束（所施加的外力为绕1轴的弯矩），其余U1，U3，及R2，R3方向则设置约束，使桩底仅产生在受力方向的位移。

（3） 荷载输入

本文选取单榀结构进行分析。为简化计算模型中仅考虑柱底弯矩的作用，以标准组合下Mxk=50KN.m的荷载在桩顶（即柱底与地坪接触点）以恒载形式输入点荷载。

3.计算结果

为定性分析悬臂柱（桩）入土，研究其在柱底内力及土层反力作用下的变形状态，考察合理的悬臂桩入土深度。本次分析重点选取入土5m和入土10m两个模型进行分析，得到入土深度与水平位移曲线图如图1及图2，相关位移及土弹簧节点反力计算结果见表1及表2。

图1入土深度5m时，桩水平位移曲线图 图2入土深度10m时，桩水平位移曲线图

4.结论

1. 
   

2. 由图1和图2可知，在桩顶弯矩作用下，桩身变形如弹性地基梁一样，水平位移的“零点”介于深度2~2.5m之间（插值法可求U2=0对应h≈2.3m）。由于桩身变形，桩身在零点以上及以下均受到被动土压力的作用，桩在桩顶外力及被动土压力的作用下实现平衡。

3. 由图1和图2可知桩顶水平位移为6.5mm，均小于钢桩允许水平位移10mm。

4. 分析表1数据，可知，入土5m的桩底水平位移为0.235mm，位移已经很小;

5. 由表2数据可知在6.5m深度处水平位移仅0.0063m，几乎可以忽略，在6.5m以下的桩身则几乎均未发生扰动，桩土弹簧反力均为近似为0的值。

（5）可以推断本悬臂桩入土深度宜深于5m；如非竖向承载力需要，仅对于抵抗桩顶水平力而言当入土深度大于6.5m，深于6.5m的部分则几乎不作贡献，仅起提高安全度的作用。

参 考 文 献

[1] 建筑桩基技术规范JGJ 94-2008. 北京，中国建筑工业出版社。

[2] 公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63-2007.北京，人民交通出版社。

[3] 建筑地基基础设计方法及实例分析（第二版）. 北京，中国建筑工业出版社。