高强预应力管桩（PHC桩）基础设计的要点分析

摘要：建筑楼房的基础设计合理与否，直接关系到楼房的结构承受能力。本文是结合工程实际对高强预应力管桩（PHC桩）基础在设计中常遇到的问题结合规范要求进行了分析及总结。
关键词：高强预应力管桩承载力特征管桩选型设计
前言
随着建筑工业的发展，对工期及经济效益的要求越来越高，工程技术人员加快了对新技术探索的步伐，实际工程中出现了大量的新技术及新工艺，预应力管桩基础作为一种新的基础形式被应用于工程中已有十多年的历史。由于其施工工期短且造价相对较低，得到了很快的发展，其设计理论、施工工艺及检测技术已非常成熟，为了更好地规范和指导预应力管桩的设计、生产及施工，广东省于1998年颁布了«预应力混凝土管桩基础技术规程»（DBJ/T15-22-98）。为了减少预应力管桩施工对环境的影响，人们对预应力管桩的施工工艺又作出了改进，出现了静压式预应力管桩的新工艺，同时广东省又颁布了«静压桩基础技术规程»。现行«建筑桩基技术规范»（JGJ94-2008）对混凝土空心管桩的设计及施工也作了具体规定。本人也参与了若干工程预应力管桩基础的设计，就预应力管桩设计的基本要点总结如下：
一、预应力管桩承载力特征值的取值
1、预应力管桩的分类：
1)按混凝土强度等级分：PC桩和PHC桩
我们通常采用的预应力管桩为PHC桩（高强预应力管桩），以下所说内容均针对PHC桩。
2)按抗裂弯矩和极限弯矩的大小分为:A型、AB型及B型
由于设计中不考虑预应力管桩的抗弯，主要由施工工艺决定，以经济为原则。
3)按外直径分为：300、400、500、550、600mm等规格。
2、最常用的管桩直径有¢400、¢500、¢600三种，¢300、¢550管桩在工程实际应用较少，因而对其不作分析。
3、三种外直径的桩的竖向承载力特征值的取值分别如下：
¢400竖向承载力特征值1200~1500KN
¢500竖向承载力特征值2000~2500KN
¢600竖向承载力特征值3000~3200KN
a．预应力管桩属于挤密桩，其单桩承载力特征值若根据«建筑桩基技术规范»（JGJ 94-2008）5.3.8条估算，很难达到上述数值，根据工程经验是能够满足的。
b. 当持力层为硬质岩，持力层上存在一定厚度的残疾土，桩长大于7m时，可以取高值。若持力层上无一定厚度的残疾土，施工时易断桩。但当持力层为泥岩或其它软质岩层时难以达到或桩长较短时应取低值。桩长小于5米不宜采用预应力管桩。
c. 预应力管桩设计时，建议在管桩施工前先行试桩，但考虑到会增加造价。如果邻近相似地质情况可作为参考时，可以不先行试桩，但最后作承载力检验。
4、对于同承台桩数不多于2根的基础，安全等级按提高一级考虑，
原一、二、三级重要性系数为1.1、1.0、0.9
现需调整为1.2、1.1、1.0，而1.2/1.1=1.1；1.1/1.0=1.1；1.0/0.9=1.1，一般工程多为二级，所以这时我们可以认为桩的承载力特征值降低，即分别为1500/1.1=1364KN，2500/1.1=2273KN（3200~3000）/1.1=（2909~2727）KN
5、偏心竖向力的作用下，应将单桩承载力特征值乘以1.25倍。
6、由于预应力管桩承受水平力和弯矩的能力较差（通常认为桩顶与承台铰接），墙、柱底内力中的弯矩和剪力不能传递给预应力管桩，弯矩应由基础拉梁承受，当无拉梁时，应由底板承受，或转化为桩的拉压力（多桩承台）；水平力应通过承台、底板或地下室侧壁传递给地基土，而不应考虑预应力管桩承受水平力和弯矩。
二、预应力管桩的选型
1、原则
在设计合理的前提下，尽可能少选用桩型，一般工程不应超过2种桩型，因为如果桩型过多会增加试桩费用和施工难度。
2、一般多层或无单独地下室和裙房的高层可以选用一种桩型，因为这种建筑基础内力一般比较均匀。
3、一般工程选用¢400与¢500根比较合理，两个方面原因
a．¢400与¢500比较
承载力：2500/1500=1.67
桩心距：1500/1200=1.25（按3倍桩距考虑）
也就是说桩的密度增加不大而承载力提高很大.
b．¢600与¢500比较
承载力：3200/2500=1.25
桩心距：1800/1500=1.2
提高幅度不大，且¢600桩施工相对困难，除非¢500桩布置不了时（即柱（墙）底内力较大，而且柱（墙）较密）才考虑使用。
三、基底内力的选择
1、确定桩数和布桩时，应采用传至承台底面的荷载效应标准组合；相应的抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值。
2、计算荷载作用下的桩基沉降和水平位移时，应采用荷载效应准永久组合；计算水平地震作用、风载作用下的桩基水平位移时，应采用水平地震作用、风载效应标准组合。
3、验算坡地、岸边建筑桩基的整体稳定性时，应采用荷载效应标准组合；抗震设防区，应采用地震作用效应和荷载效应的标准组合。
4、在计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时，应采用传至承台顶面的荷载效应基本组合。当进行承台和桩身裂缝控制验算时，应分别采用荷载效应标准组合和荷载效应准永久组合。
5、桩基结构设计安全等级、结构设计使用年限和结构重要性系数应按现行有关建筑结构规范的规定采用，除临时性建筑外，重要性系数不应小于1.0。
6、对桩基结构进行抗震验算时，其承载力调整系数应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011)的规定采用。
四、桩的布置
1、剪力墙下的桩尽量沿墙布置，这样可以显著减少承台厚度。
3、布置时，确定了选择的桩型后，应尽量减少根数，比如选择 400、 500两种桩型，标准组合下柱底轴力为7000KN时，布 400需5根，布 500需3根，这时应选3根 500，这样即节约桩造价，也会减少承台尺寸，同时也降低了桩施工时将桩打坏的风险。
3、对于两桩的布置，两根应沿柱（墙）弯矩较大方向布置，将弯矩以力偶的形式作用于桩，减少拉梁的负担，此传力途径明确、直接。
4、当一承台下需布置多根桩时，应根据承台上墙柱的分布，将桩布置在墙柱的周围，尽量使桩离开墙柱的距离较少，保证两个方向桩离墙柱的距离基本相等，这对计算承台较为有利，可以减小承台尺寸。
5、桩心距通常取3.5倍桩径，但当同一承台下桩数多于9根时，桩心距取4.0倍桩径较为合适，这样相对较易施工，减小地基土垄起，但当柱距较密无法实现时，应采取跳打，但跳打在实际施工中难以操作，因为打桩机具的移动较为困难，且会把已压桩压坏。
五、承台的设计
承台的设计在满足规范构造要求的前提下，应精确计算，力争经济合理。
1、各项构造尺寸及构造措施应满足要。．
2、承台应进行冲切验算，斜载面受剪验算，正截面受弯验算及局部受压验算。
3、承台的高度通常由冲切和抗剪控制。
4、进行承台设计时一定要注意墙、柱截面尺寸的影响，随着墙柱截面的增大，冲跨和剪跨都相应减小，如果不考虑墙、柱截面的影响，承台的设计较为浪费。
5、柱、墙的砼强度等级通常比承台高，特别是框支柱，应注意局部受压验算。
6、由于承台的尺寸一般较大，承台的最小配筋率可不按«混凝土设计规范»中受拉受弯构件执行，按卧置于土上的厚板控制不小于0.15%为宜。
六、拉梁的设计
1、宽度不小于200，高度取1/15~1/10跨。
2、当设有地下室且地下室设计钢筋混凝土底板时，我们通常将底板做成无梁楼盖形成，不存在拉梁的问题，同时将承台四周按450放坡，作为柱帽。见下图：

3、当不设地下室或地下室不设计钢筋混凝土底板时，单桩承台应在两个方向设置拉梁，两桩承台至少应在平面外设置拉梁。
4、计算拉梁时，应考虑轴向力（设计值）的1/10作拉力，对单桩和两桩承台平面外拉梁还应考虑柱底的弯矩，两种荷载相叠加。同时，若梁上砌墙时，还应考虑墙荷载的作用。
5、一般情况下拉梁应底、顶配筋相同，且通长配置。在承台中的锚固，当承台顶面配筋时应将钢筋锚入承台la或laE，当承台顶面不配筋时，梁筋应锚入墙、柱内。
七、结束语
以上为预应力管桩设计中常遇的一些问题，在具体的工程设计中的一些具体问题，还应具体分析，这样才能使我们的设计在安全的条件下，达到经济合理。