螺旋钢桩基础在集装箱模块建筑中的应用技术研究

吕兆华

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092)

0 引言

螺旋钢桩是一种微型预制钢桩，其主体结构为钢管，在钢管端部一定范围内焊接若干螺旋叶片。一般来讲，该螺旋钢桩直径通常在300mm以内，长度在4m范围内。螺旋钢桩具有施工速度快、保护环境、可拆除再利用、造价低等优点。螺旋钢桩受力机理与常见的螺丝钉相似，用配套机械将其旋入土体中[1]。对于一般条件土体，对场地平整度要求较低，3min即可完成一根螺旋钢桩基础的定位、安装，且没有养护期，施工工期短。螺旋钢桩多用于太阳能光伏支架、路灯、小型栈道[2]、坑壁及边坡支护、海上结构物拉索和土工测试反力装置等[3-4]。

集装箱模块建筑是建筑工业化发展的高级阶段，是一种高度集成的装配式建筑，建造速度具有传统建筑无法比拟的优势[5-7]。通常采用工厂预制集装箱，能够实现批量化生产，快速安装。然而箱式模块建筑的基础一般采用在传统的现浇基础内预埋锚栓或锚板，再通过锚栓或锚板与集装箱模块建筑连接的形式[8]。这种基础在浇筑之后需要有充足的时间进行养护，且为混凝土基础，需要使用较多的淡水量。对于常规集装箱模块建筑来说是适用的；但对于有一些特殊要求的集装箱模块建筑，例如工地临时建筑，对于有快速安装要求的集装箱模块建筑(如雷神山、火神山医院)，这种传统基础的适用性就较差。原因在于对于临时建筑来说，采用传统的基础形式，不具有可拆除性，不利于环境保护，浪费材料。对于有快速安装要求的集装箱模块建筑，传统基础在极短时间内完成快速施工难度较大。

为加快基础施工速度，保护环境，降低造价，将螺旋钢桩基础在集装箱模块建筑中进行应用，对于该建筑来说是一种创新，有少部分工程开始尝试使用这种基础，但在实际应用过程中，螺旋钢桩基础使用的规范性差，体系不稳定，个别连接节点采用焊接的方式，降低了安装速度和质量，且现场焊接易带来腐蚀问题，给拆除工作带来难度，不利于反复使用。

本文以一采用螺旋钢桩基础的二层集装箱模块建筑为例，对基础体系在地震和风荷载两种工况下的受力进行分析，在此基础上，对螺旋钢桩进行选型设计，并对螺旋钢桩与集装箱模块建筑之间的连接方式进行研究。

1 螺旋钢桩基础在工程中的应用现状

1.1 螺旋钢桩基础的适用地质条件

螺旋钢桩作为一种小型钢结构预制管桩，可在残积土、全风化岩石、圆砾与角砾、松散～密实的砂土、稍密～密实的粉土、可塑～坚硬的黏土中适用，在卵石、碎石地基中可视情况采用[9]。对于一般硬土地基，螺栓钢桩可通过打桩设备直接旋入土体。特殊条件下，如遇土质过硬地基、碎石等地基，可采用先钻孔再施工的方式打桩；对于岩石地基，可采用先打孔、清孔，然后按照灌注桩施工方式进行施工。

螺旋钢桩不宜用于具有强腐蚀的土壤环境中，对于腐蚀等级为中级的土壤，可采用外表面涂锌防腐层、增加腐蚀余量及采用特殊耐腐蚀材料等措施。当螺旋钢桩内壁与外界封闭隔绝时，可不做内壁防腐。设计选择螺旋钢桩的壁厚以及使用年限时，需考虑在不同的环境下，螺旋钢桩的防腐涂层以及管壁的腐蚀速率，通常来讲，可参考已有工程实测数据进行设计，当无实测数据时，对于常用的镀锌防腐涂层，螺旋钢桩应用在腐蚀等级为中级及以下的土壤环境中时，可按照投入使用前2年每年涂层的腐蚀速率为15μm/年、投入使用2年以后腐蚀速率为4μm/年取值。当腐蚀涂层破坏以后，可考虑螺旋钢桩自身的腐蚀速率。对于地面以上的螺旋钢桩，当无腐蚀性气体或腐蚀性发挥介质时，其单面腐蚀速率为0.05～0.1mm/年。处于地面以下的螺旋钢桩，水位以上腐蚀速率为0.05mm/年；水位以下腐蚀率为0.03mm/年，处于水位波动区域的腐蚀速率为0.1～0.3mm/年[9]。

1.2 螺旋钢桩基础的承载能力

微型螺旋短桩因其端部带有叶片的结构特点，桩基承载力无法完全按照现行国家标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[10]来执行。通常螺旋钢桩极限抗拔和抗压承载力受叶片间距比变化的影响，根据叶片间距比的不同，螺旋钢桩的理论承载力计算方法主要有“单盘承载力叠加法”与“连续剪切筒”法，“单盘承载力叠加法”一般用于叶片间距与叶片直径比值大于3的情况，该方法考虑桩基极限承载力由叶片以上螺旋钢桩与土体侧摩阻力与各叶片极限承载能力之和。当叶片间距与叶片直径的比值小于3时，采用“连续剪切筒”法，该方法的桩基侧摩阻力考虑两部分：一部分为叶片以上螺旋钢桩侧摩阻力，另一部分为叶片范围内的圆柱土体与周边土体之间的侧摩阻力。当螺旋钢桩抗压时，叶片以上1倍叶片直径范围以上不计侧摩阻力，需考虑叶片发挥的极限桩端阻力。当螺旋钢桩抗拔时，计算第一道叶片以上2倍叶片直径高度范围内侧摩阻力时，桩周长采用由叶片直径计算得到的周长，超出该范围高度时，桩周长采用由螺旋钢桩直径计算得到的周长。我国计算螺旋钢桩承载力时，通常采用的是“连续剪切筒”法与《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)的结合的方法。计算螺旋钢桩承载力时，除考虑桩土之间的承载力外，尚需考虑桩身自身的承载能力，计算桩在使用过程中的受力以及桩身施工过程中承担的最大扭矩。

精确计算螺旋钢桩的承载力有一定的难度，因为除地质条件外，桩型参数、施工扭矩等因素都会影响螺旋钢桩承载力的计算[1]，因此理论计算一般仅作为估算，桩身承载力需通过单桩静载荷试验确定。检测方法及数量可按照国家现行标准《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)、《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)等执行。

2 集装箱模块建筑螺旋钢桩基础应用及受力分析

螺旋钢桩基础在集装箱模块建筑中是否适用，需根据该建筑的受力特点，对螺旋钢桩进行合理布置后，根据螺旋钢桩反力进行综合判断。本文以一幢采用螺旋钢桩的二层集装箱模块建筑为例，分析在地震工况及风荷载工况下，螺旋钢桩的反力大小，根据一般土体下螺旋钢桩的承载力对螺旋钢桩进行选型。

2.1 实例概况

建筑平面尺寸(长×宽)为6 058mm×4 895 mm，层高3 451mm。该集装箱模块建筑单个模块尺寸(长×宽×高)为6 058mm×2 438mm×3 150mm，每层2个模块，上下两层共4个模块。采用12个螺旋钢桩，钢桩与集装箱模块建筑之间的架空段采用短柱连接，短柱高度为800mm，短柱顶部与集装箱模块建筑通过底部横梁进行连接。结构为全钢结构，材料为Q355B。柱截面采用箱形截面，梁采用H型钢，柱截面规格为□150×150，梁截面规格为H200×100×5.5×8。墙体采用轻质隔墙，厚度为100mm。楼面的恒载为2kN/m2，活载为2kN/m2；屋面活载为0.5kN/m2，墙面重量按照0.5kN/m2预估。集装箱模块建筑结构及螺旋钢桩平面图见图1，集装箱模块建筑及基础立面图见图2。

图2 集装箱模块建筑及基础立面图

2.2 地震工况下的分析

2.2.1 地震参数及荷载组合

项目所在地抗震设防烈度8度(0.2g)，结构的阻尼比为0.02，根据结构的自振周期T=0.56s，分别取特征周期Tg为0.2，0.3，0.4，0.45，0.55，0.65s进行计算分析。计算采用基本组合和标准组合，荷载基本组合为1.2SGE+1.3SEhk，标准组合为SGE+SEhk，其中，SGE为重力荷载代表值，SEhk为水平地震作用。

2.2.2 整体计算结果及螺旋钢桩选型

整体计算采用通用有限元软件SAP2000，假定集装箱模块建筑框架梁柱之间的连接、底部横梁与短柱之间的连接为刚接，集装箱水平及竖向连接为铰接，短柱柱脚铰接，计算模型如图3所示。

图3 计算模型

在不同的特征周期下，短柱在三个方向的反力标准值如表1所示。其中：Fx为X向水平反力；Fy为Y向水平反力；Fz为竖向反力；正值表示压力，负值表示拉力。

8度(0.2g)地震工况下柱底反力标准值 表1

对于二层钢结构集装箱模块建筑来说，自振周期T=0.56s，接近特征周期Tg=0.55s。由表1可以看出，当TgT时，地震反力标准值不再继续增大。本算例短柱最大反力标准值为86.83kN。根据短柱反力标准值对螺旋钢桩进行选型，表2为典型螺旋钢桩在一般硬质土体中承载力标准值。

不同规格及长度螺旋钢桩承载力 表2

2.3 风荷载工况下的分析

2.3.1 风荷载参数及荷载组合

基本风压w0分别取工程中常用的0.5，0.6，0.7，0.8，0.9kN/m2进行计算分析，B类地貌。计算采用荷载基本组合和荷载标准组合，荷载基本组合为:1.3DL+1.5LL+1.5×0.6WL，1.3DL+1.5×0.7LL+1.5WL；荷载标准组合为:1.0DL+1.0LL+0.6WL，1.0DL+0.7LL+1.0WL，其中，DL为恒载，LL为活载，WL为风载。

2.3.2 整体计算结果及螺旋钢桩选型

不同基本风压下较不利荷载标准组合作用下柱底反力标准值见表3。

风荷载工况下柱底反力标准值 表3

验算螺旋钢桩在本算例中最大受力情况下的水平及竖向承载力：取表2中φ220×8、长度L为3 000mm的螺旋钢桩，其水平承载力为3.33kN<60/2=30kN;竖向承载力为83.94kN<175/2=87.5kN。此螺旋钢桩能够满足受力要求。

由地震工况与风荷载工况分析结果可以看出，对于二层建筑，在较大的地震作用下以及较大的风荷载作用下，一般硬土地基条件下，螺旋钢桩的承载力是可以满足要求的。当超出实例的最大地震或最大风荷载，以及建筑超出6.3m时，可通过增加桩的数量解决，建议实际工程中应用该基础时，建筑总的高度不宜超过9.45m。

3 基础体系构造措施

采用螺旋钢桩基础时，一般在集装箱与地面之间会做一段架空层，其目的：一是解决防水问题，二是方便管线走线。为避免现场焊接，短柱底部一般通过法兰与螺旋钢桩连接，短柱顶部通过螺栓节点与底部横梁连接，集装箱连接于底部横梁上。计算时假定短柱顶部与横梁之间的连接为刚接，但实际操作很难实现，可采用增加交叉支撑(交叉支撑的杆件为软性拉杆)实现基础架空层的整体性。交叉支撑可采用圆钢，通过花篮螺栓施加预拉力，对其进行预紧。为避免螺旋钢桩水平受力不均匀，可在短柱底部增加水平横杆，用以增加基础体系的整体性。

交叉支撑可根据工程实际情况分散布置，对于本工程，可采用如图4所示的布置方式。

图4 集装箱模块建筑及带柔性支撑螺旋钢桩基础立面示意图

图5 标准短柱

交叉支撑端部焊接节点板，通过螺栓连接于短柱的节点板之上。短柱可采用标准短柱(图5)，标准短柱采用钢管截面，顶部焊接顶板，底部焊接底板，侧面焊接节点板，在底板之上焊接一水平连接板。实际安装时，根据需要，可在任意一跨布置柔性支撑及横杆。采用标准化短柱，此短柱批量生产后可提高加工效率。

图6 底部横梁平面和立面布置图

底部横梁作为集装箱与螺旋钢桩基础之间的过渡连接，为方便上下连接及自身拼接，可采用H型钢截面，在水平面拼接成水平框架。焊接部分在工厂完成，在现场安装时，采用螺栓拼接节点。为避免拼接节点与集装箱底部互相干扰，底部横梁连接集装箱时，节点连接部位采用垫板将集装箱底部垫高，增加底部横梁拼接节点螺母的高度空间。底部横梁平面及立面布置图分别见图6。

为保证螺旋钢桩水平承载力，对于非临时建筑，在集装箱安装完成后，可在螺旋钢桩顶部一定范围内地面做混凝土保护层，达到对桩顶土体保护的目的。

4 结论及建议

通过螺旋钢桩应用现状的总结、螺旋钢桩在集装箱模块建筑中的应用计算及其构造设计，得到如下结论：

(1)螺旋钢桩作为一种微型钢结构短桩，在小型构筑物中应用已经较为普遍，且其承载力计算方法、防腐蚀措施、检测方法均有可遵循的理论及规范支撑。集装箱模块建筑作为一种相对轻型、全装配建筑，尤其在层数较少、临时建筑、有工期要求的特殊建筑中应用螺旋钢桩基础尤为适用。

(2)从受力角度讲，螺旋钢桩基础用在集装箱模块建筑中是可行的，对于高烈度或风速较大的地区，在常规使用荷载作用下，建议二层以下建筑采用此种类型基础；对于地震及风荷载较小地区，在常规使用荷载作用下，可适当加大集装箱层数，建议不宜超过三层；当桩基受力超过螺旋钢桩最大承载力时，可通过增加螺旋钢桩根数的方式解决。

(3)从构造角度讲，螺旋钢桩基础全部构件都可以实现工厂预制，采用全螺栓连接方式，装配率达到100%；通过增加柔性支撑增强基础底部架空层稳定性，采用标准短柱连接，可实现柔性支撑的灵活布置以及提高构件的加工效率。