1、第 34 卷 第 5 期2006 年 10 月浙 江 工 业 大 学 学 报J OURNAL OF ZH EJ IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYVol. 34 No. 5Oct. 2006收 稿 日 期 :2006201211作 者 简 介 :丁 翠 红 (1961 ) ,女 ,安 徽 安 庆 人 ,副 教 授 ,硕 士 ,主 要 从 事 岩 土 工 程 方 向 的 教 学 科 研 .一 柱 一 桩 基 础 单 层 厂 房 的 侧 向 变 位 问 题丁 翠 红 ,卢 成 原(浙 江 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 ,浙 江 杭 州 310032)摘
2、要 :排 架 结 构 单 层 厂 房 一 柱 一 桩 基 础 的 稳 定 性 较 差 ,存 在 着 基 础 能 否 为 上 部 结 构 提 供 足 够 的 位 移和 转 角 约 束 的 问 题 . 在 水 平 荷 载 作 用 下 ,由 于 桩 的 变 形 使 排 架 柱 产 生 更 多 的 侧 向 位 移 ,严 重 影 响 排架 刚 度 ,设 计 中 有 必 要 对 因 桩 的 变 形 产 生 的 排 架 柱 位 移 进 行 验 算 和 控 制 . 文 中 针 对 弹 性 桩 ,采 用 m法 对 桩 顶 变 形 进 行 计 算 ,进 而 计 算 由 桩 变 形 产 生 的 柱 侧 向 位 移
3、. 通 过 对 某 工 程 实 例 吊 车 荷 载 作 用 下排 架 侧 向 位 移 的 计 算 ,证 明 桩 的 变 形 对 排 架 侧 向 位 移 影 响 较 大 ,尤 其 桩 顶 转 角 的 影 响 大 .关 键 词 :单 层 厂 房 ;一 柱 一 桩 ;m 法 ;侧 向 刚 度中 图 分 类 号 : TU473. 1 ; TU323 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :100624303 (2006) 0520584205Lateral rigidity problem for a one story factory building which isone column wi
4、th one pileDIN G Cui2hong , L U Cheng2yuan(College of Architecture and Civil Engineering , Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310032 , China)Abstract : It is not very stable for a one story factory wit h a bent f ramework which is one columnwit h one pile. It exist s t he problem whet her
5、the foundation can provide t he upper structure wit hsufficient restriction on displacement and rotation. Under horizontal loads , t he column will havemore lateral displacement because of pile deformation , which will greatly influence t he frame lat2eral rigidity. So , it is necessary in design to
6、 calculate and control t he column displacement . Fort he long elastic pile , t he m method is used to calculate pile deformation. Then column displace2ment caused by pile can be calculated and controlled. The analysis of a crane load example showst hat t he pile deformation , especially t he pile t
7、op rotation , greatly influence t he frame lateral dis2placement .Key words : one story factory building ; one column wit h one pile ; m met hod ; lateral rigidity0 引 言单 层 厂 房 有 时 受 到 地 质 条 件 的 限 制 ,如 基 岩 坡度 陡 ,一 般 的 预 制 桩 或 灌 注 桩 不 能 打 入 基 岩 中 等 ,不得 不 采 用 人 工 挖 孔 桩 或 大 直 径 钻 孔 灌 注 桩 一 柱 一 桩的 基 础 形
8、式 . 这 种 一 柱 一 桩 基 础 有 传 力 直 接 、 设 计 施工 简 单 、 且 造 价 低 的 优 点 ,但 用 在 单 层 工 业 厂 房 中 需慎 重 对 待 . 单 层 厂 房 一 般 横 向 跨 度 较 大 ,多 为 排 架 结构 体 系 ,而 且 往 往 有 吊 车 荷 载 ,要 求 柱 子 底 部 为 刚接 . 由 于 跨 度 大 ,且 可 能 有 较 大 型 生 产 设 备 及 设 备 基础 ,一 般 不 能 设 置 双 向 基 础 拉 梁 来 约 束 桩 顶 承 台 的水 平 位 移 和 转 角 ,在 水 平 力 作 用 下 的 承 台 变 位 完 全靠 顶 部
9、自 由 的 单 桩 来 承 担 ,尤 其 当 地 基 土 较 差 时 ,造成 桩 顶 在 水 平 荷 载 作 用 下 会 发 生 一 定 的 水 平 位 移 和转 角 ,对 于 整 个 排 架 体 系 的 稳 定 性 和 侧 向 位 移 产 生不 利 的 影 响 ,严 重 时 可 能 造 成 吊 车 卡 轨 不 能 正 常 使用 . 工 程 中 一 般 认 为 只 要 柱 截 面 尺 寸 满 足 经 验 尺 寸的 要 求 ,排 架 横 向 刚 度 已 经 得 到 保 证 ,不 必 再 进 行 专门 验 算 ,只 在 吊 车 吨 位 较 大 、 厂 房 高 度 较 大 等 情 况时 ,才 需 验
10、 算 排 架 横 向 刚 度 ,而 且 验 算 中 不 考 虑 基 础的 变 形 . 对 于 一 柱 一 桩 的 情 况 ,桩 的 侧 向 刚 度 对 排 架位 移 的 影 响 是 不 容 忽 视 的 ,甚 至 是 显 著 的 ,因 此 在 设计 中 有 必 要 对 桩 顶 的 水 平 位 移 和 转 角 进 行 验 算 和 控制 . 至 于 桩 顶 位 移 和 转 角 的 控 制 应 满 足 什 么 要 求 ,在这 方 面 现 行 的 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范 ( GB50007 2002)和 建 筑 桩 基 技 术 规 范 (J GJ 94 94)均 没 有 给 出 明 确
11、规 定 . 笔 者 认 为 ,对 于 无 吊 车 厂 房 应控 制 风 荷 载 和 地 震 荷 载 作 用 下 排 架 柱 顶 自 身 水 平 变形 和 基 础 变 形 引 起 的 柱 顶 水 平 位 移 之 和 满 足 小 于 等于 H/ 600 ( H 为 排 架 柱 高 ) ;对 于 有 吊 车 厂 房 除 应 满足 上 述 要 求 外 ,还 应 主 要 控 制 吊 车 梁 顶 与 柱 连 接 点K点 处 在 一 台 最 大 吊 车 横 向 水 平 力 Tmax作 用 下 因 排架 自 身 侧 移 产 生 的 位 移 量 uk 和 基 础 位 移 、 转 角 产 生的 侧 移 量 uk1
12、 之 和 u 不 超 过 允 许 值 (见 图 1) ,即 中 、轻 级 工 作 制 吊 车 柱 u Hk / 1 800 ,重 级 工 作 制 吊 车柱 u Hk / 2 200 ,并 保 证 桩 的 水 平 承 载 力 满 足 要 求 .为 了 使 计 算 结 果 更 符 合 实 际 情 况 ,排 架 位 移 计 算 宜考 虑 单 层 厂 房 的 空 间 作 用 .图 1 排 架 侧 移由 桩 基 水 平 位 移 和 转 角 产 生 的 上 部 结 构 位 移 是本 文 讨 论 的 重 点 . 在 桩 的 水 平 受 力 分 析 中 , m 法 是我 国 常 用 的 ,也 是 建 筑 桩
13、基 技 术 规 范 (J GJ 94 94)推 荐 的 方 法 . 对 于 常 见 的 弹 性 桩 ( l 2. 5 , 为 桩的 变 形 系 数 , l 为 桩 长 ) ,通 过 m 法 求 出 桩 顶 柔 度 就可 以 求 得 桩 顶 水 平 位 移 和 转 角 ,从 而 就 可 求 得 因 桩的 位 移 和 转 角 产 生 的 柱 顶 或 K点 水 平 位 移 量 .1 m 法 求 桩 顶 柔 度 的 计 算 公 式“ m” 法 是 地 基 反 力 系 数 法 的 一 种 ,假 定 地 基 反力 系 数 沿 深 度 呈 三 角 形 分 布 . 桩 的 抗 侧 刚 度 可 以 通过 求 解
14、 水 平 承 载 桩 的 弹 性 挠 曲 微 分 方 程 得 到 . 因 为单 桩 承 台 平 面 尺 寸 不 大 ,只 起 一 个 桩 与 柱 的 连 接 作用 ,而 且 不 设 横 向 拉 梁 ,可 以 认 为 是 桩 长 的 延 续 ,因此 桩 顶 可 以 认 为 就 是 承 台 顶 面 .基 本 假 定 :(1) 桩 视 为 埋 设 于 弹 性 介 质 中 的 弹 性 杆 件 ,其地 基 反 力 系 数 在 桩 顶 为 零 ,并 随 深 度 成 正 比 例 增 长 ;(2) 桩 与 土 之 间 的 黏 着 力 和 摩 阻 力 不 予 考 虑 ;(3) 忽 略 承 台 底 面 和 侧 面
15、 受 到 的 土 抗 力 ,假 定桩 顶 延 伸 至 承 台 顶 面 .根 据 m 法 的 解 1 ,2 ,桩 顶 位 移 和 转 角 可 分 别 由下 式 求 得 (见 图 2)x0 = Q0 QQ + M0 QM (1)1 m 时 , b0 = 0. 9 ( d + 1) ;方 形 桩 :当 边 宽 b 1 m 时 , b0 = 1. 5b + 0. 5 ;当 边 宽 b 1 m 时 , b0 = b + 1 ;E 桩 身 弹 性 模 量 , kN/ m2 ;I 桩 身 截 面 惯 性 矩 , m4 ;kh 桩 底 支 承 效 应 系 数 , kh = G0 E I0I ,其 中G0 =
16、m0 l 为 桩 底 土 的 抗 力 系 数 , m0 为 其 比 例系 数 . I0 为 桩 底 截 面 惯 性 矩 ,对 于 非 扩 底 桩 I0= I.当 桩 底 支 承 于 非 岩 石 类 土 中 ,且 桩 长 l 2. 5 ,或 桩 底 支 承 于 基 岩 ,且 l 3. 5 时 ,均 可 令 kh = 0 ,式 (3) , (4) , (5) 成 为 QQ = 1 3 EI B3 D4 - B4 D3A3 B4 - A4 B3(6) QM = MQ = 1 2 EI A3 D4 - A4 D3A3 B4 - A4 B3(7) MM = 1 EI A3 C4 - A4 C3A3 B4
17、 - A4 B3(8)若 桩 底 嵌 固 于 微 风 化 岩 层 有 足 够 深 度 ,可 以 认为 桩 底 不 发 生 位 移 和 转 角 ,桩 顶 变 位 可 用 下 式 计 算 QQ = 1 3 EI B2 D1 - B1 D2A2 B1 - A1 B2(9) QM = MQ = 1 2 EI A2 D1 - A1 D2A2 B1 - A1 B2(10) MM = 1 EI A2 C1 - A1 C2A2 B1 - A1 B2(11)计 算 表 明 ,当 l 4. 0时 ,桩 在 顶 端 的 位 移 与 桩底 支 承 条 件 无 关 . 这 时 按 式 (6 - 8) 计 算 与 按 式
18、 (9 -11) 计 算 的 结 果 是 相 同 的 . 当 l 4. 0 时 ,取 l =4. 0 进 行 计 算 ,这 时 有 : QQ = 2. 441 3 EI (12) QM = MQ = 1. 625 2 EI (13) MM = 1. 751 EI (14)2 桩 顶 位 移 和 单 桩 水 平 承 载 力 计 算求 出 桩 顶 柔 度 后 ,可 以 根 据 排 架 的 柱 底 水 平 剪力 Q0 和 弯 矩 值 M0 ,按 式 (1 ,2) 求 出 桩 顶 水 平 位 移x0 和 转 角 4. 0 QQ = 2. 441 3 EI = 2. 4410. 4583 2. 55 1
19、07 0. 049 =2. 03 10- 5 ( m/ kN) QM = MQ = 1. 625 2 EI = 1. 6250. 4582 2. 55 107 0. 049 =6. 2 10- 6 (1/ kN) MM = 1. 751 EI = 1. 7510. 458 2. 55 107 0. 049 =3. 06 10- 6 (1/ kN m)一 台 吊 车 最 大 水 平 荷 载 下 柱 底 弯 矩 和 剪 力 标 准值 分 别 为 M0 = 72. 2 kN m , Q0 = 8. 4 kN. 考 虑 空间 作 用 系 数 0. 85后 的 柱 底 弯 矩 和 剪 力 分 别 为 M
20、0 =64. 3 kN m , Q0 = 7. 7 kN. 由 于 为 正 常 使 用 状 态 验算 ,荷 载 不 乘 以 分 项 系 数 .x0 = Q0 QQ + M0 QM = 7. 7 2. 03 10- 5 + 64. 3 6. 2 10- 6 = 55. 5 10- 5 m = 0. 555 mm4. 0 QQ = 2. 441 3 EI = 2. 4410. 4033 2. 55 107 0. 102 =1. 43 10- 5 m/ kN QM = MQ = 1. 625 2 EI =1. 6250. 4032 2. 55 107 0. 102 =3. 85 10- 6 1/ k
21、N MM = 1. 751 EI = 1. 7510. 403 2. 55 107 0. 102 =1. 67 10- 6 1/ kN mx0 = Q0 QQ + M0 QM =7. 7 1. 43 10- 5 + 64. 3 3. 85 10- 6 =35. 8 10- 5 m = 0. 36 mm0 = Q0 MQ + M0 MM =7. 7 3. 85 10- 6 + 64. 3 1. 67 10- 6 =1. 37 10- 4 raduk1 = x0 + 0 Hk =0. 36 + 1. 37 10- 4 8 600 = 1. 54 mmuk = 3. 1 mmu = 3. 1 + 1
22、. 54 = 4. 64 mmuH k =4. 648 600 =11 853 11 800 满 足 要 求 .3 结 语(1) 单 层 厂 房 一 柱 一 桩 的 基 础 形 式 是 一 种 稳 定性 较 差 的 基 础 ,在 横 向 水 平 力 和 弯 矩 的 作 用 下 桩 顶的 位 移 和 转 角 是 客 观 存 在 的 ,而 且 不 容 忽 视 . 结 构 设计 中 除 保 证 排 架 柱 自 身 的 刚 度 外 ,还 必 须 保 证 基 础有 足 够 的 水 平 受 荷 刚 度 ,验 算 控 制 桩 顶 位 移 和 转 角不 能 过 大 .(2) 对 于 弹 性 桩 ,采 用 “
23、m” 法 求 单 桩 水 平 柔 度是 一 种 相 对 比 较 简 便 易 行 的 方 法 ,便 于 工 程 中 应 用 .尤 其 当 l 4. 0 时 ,桩 的 柔 度 系 数 与 桩 底 支 承 条 件无 关 ,公 式 得 到 极 大 简 化 .(3) 计 算 分 析 显 示 ,桩 顶 转 角 对 排 架 侧 移 的 影785第 5 期 丁 翠 红 ,等 :一 柱 一 桩 基 础 单 层 厂 房 的 侧 向 变 位 问 题响 远 大 于 桩 顶 水 平 位 移 的 影 响 ,因 此 ,仅 控 制 桩 顶 水平 位 移 量 是 不 够 的 .(4) 一 柱 一 桩 单 层 厂 房 的 侧 向
24、 位 移 控 制 标 准 建议 为 :无 吊 车 厂 房 控 制 风 荷 载 以 及 地 震 荷 载 作 用 下排 架 柱 顶 水 平 变 形 和 基 础 变 形 引 起 的 柱 顶 水 平 位 移之 和 满 足 小 于 等 于 H/ 600 ( H 为 排 架 柱 高 ) ;有 吊 车厂 房 除 应 满 足 上 述 要 求 外 ,应 验 算 排 架 在 一 台 最 大吊 车 荷 载 下 吊 车 梁 顶 与 柱 连 接 点 处 因 排 架 自 身 侧 移产 生 的 位 移 量 uk 和 基 础 变 形 产 生 的 侧 移 量 u k1之 和u 不 超 过 允 许 值 (位 移 计 算 宜 考
25、虑 空 间 作 用 ) ,即 中 、轻 级 工 作 制 吊 车 柱 u Hk / 1 800 ,重 级 工 作 制 吊 车柱 u Hk / 2 200.参 考 文 献 : 1 桩 基 工 程 手 册 编 写 委 员 会 . 桩 基 工 程 手 册 M . 北 京 :中 国 建筑 工 业 出 版 社 ,1995. 2 陈 国 兴 ,樊 良 本 . 基 础 工 程 学 M . 北 京 :中 国 水 利 水 电 出 版社 ,2002.3 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 . J GJ 94 94 建 筑 桩 基 技 术 规 范 S . 北京 :中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ,1995. 4
26、张 锡 增 ,彭 亚 萍 . 混 凝 土 结 构 (下 册 ) M . 北 京 :中 国 水 利 水 电出 版 社 ,2004. 5 梁 兴 文 ,史 庆 轩 . 混 凝 土 结 构 设 计 M . 北 京 :科 学 出 版 社 ,2004. 6 丁 翠 红 ,顾 建 文 . 单 桩 承 台 拉 梁 设 计 方 法 J . 建 筑 结 构 ,2005 ,35 (5) :47249.(责 任 编 辑 :翁 爱 湘 )(上 接 第 553 页 )实 现 诸 如 8051 , Z80 , M6800 , PIC 单 片 机 等 的V HDL 设 计 . 还 可 以 根 据 需 要 增 加 外 部 存
27、 储 器 接口 、 串 行 通 讯 接 口 、 定 时 计 数 器 和 中 断 等 模 块 实 现 功能 更 为 完 善 的 CPU ,也 可 以 自 定 义 指 令 集 ,设 计 具有 自 主 知 识 产 权 的 CPU .参 考 文 献 : 1 FINC M , ZEMVA A. Profiling soft2core processor applicationfor hardware/ software partitioningJ . Journal of System Ar2chitecture , 2005 ,51 : 3152329. 2 ROMAN L , FAN K V. A
28、Study of t he speedups and competi2tiveness of FP GA Soft Processor Cores using Dynamic Hard2ware/ Software Partitoning EB/ OL . 2005206203 . http :/ /www. cess. uci. edu/ conference2procedings/ data22005/ vahid2fpga. pdf . 3 SO TIRIOS G , ZIAVRAS. Processor design based on dataflowconcurrencyJ . Microprocessors and Microsystem , 2003 ,27 :1992220. 4 孙 涵 芳 ,徐 爱 卿 . MCS251/ 96 系 列 单 片 机 原 理 及 应 用 M . 北京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,1996. 5 唐 明 哲 ,邵 志 标 ,赵 宁 ,等 . 32 位 浮 点 嵌 入 式 MCU 设 计 研 究J . 微 电 子 学 与 计 算 机 ,2004 ,7 (7) :30233.(责 任 编 辑 :陈 石 平 )885 浙 江 工 业 大 学 学 报 第 34 卷
