浅谈柱下独立基础设计步骤及应用
2022-05-06
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・1OO・ 2014年4月 l・J适材 Sichuan Building Materials 2014年第2期 第40卷总第178期 DOI:10.3969/j.issn.1672—4011.2014.02.046 浅谈柱下独立基础设计步骤及应用 易定渊 (四川省科茂建筑工程有限公司,四川泸州摘要:建筑结构设计关系到建筑的使用功能、建筑 的质量、建筑的外观结构等多方面的问题,因此,在建筑 646100) 组成部分,在建筑设计中有着重要的地位。 为了保证设计的科学合理,保证设计的先进性,相关 工程设计中,结构设计必须要符合相关的设计标准和要求, 特别是框架结构的基础设计,涉及到建筑的框架基础的稳 定性,更需要设计人员重点关注,文章将就框架结构基础 设计进行探讨。主要内容包括基础的类型及其选型、基础 分析模型、条形基础设计等主要的部分。 关键词:建筑结构;框架;基础;设计 中图分类号:TU470 文献标志码:A 文章编号:1672—4011(2014)02一O100—04 Independent Foundation Design Steps and Applied the Discussion Y/Dingyuan (Sichuan Kema ̄Construction Engineering Co.Ltd.Luzhou 646100,China) Abstract:In many problems related to the design of build— ing structures using building features,quality construction,ar- chitectural appearance of the structure,etc.Therefore,the con— struction design,structural design must comply with the relevant design standards and requirements,especially framework founda- tion desing,stability relates to the frame—based architecture, the designem need to focus on.the article will discuss tlle frame- work of the basic desing structure,the main contents include the basic types and their selection,based on the analysis model, strip ̄undation desing major part. Key words:building structure;framework;foundation; design 0前言 建筑框架结构设计是我国在现代建筑设计中采用的最 基础普遍的设计之一,也是建筑框架设计的重要组成部分。 随着我国经济及建筑业的迅速崛起,建筑框架设计问题也 得到更多业内人士关注。框架结构是一种钢筋混凝土结构, 其由柱、梁组成,这种结构侧向刚度小,能进行更巧妙的 平面布置,可以满足很多大房间的建筑设计要求,它的抗 风能力及抗震能力均较好,被广泛应用于各种民用建筑(包 括高层)及工业建筑。框架结构设计因其各种优势在建筑设 计中享有重要地位,而其设计的专业性及先进性又对设计 人员要求很高,不但需要他们对建筑结构类型有充分清晰 地了解,还需要有丰富的经验和严谨的设计态度,如果设 计不当,便会给后续的施工环节带来不便,更重要的是会 留下安全隐患,所以提高建筑框架结构基础设计质量的重 要性不容小觑。框架结构基础设计是建筑框架结构的重要 作者简介:易定渊(1960一),男,四川泸县人,高级工程师,研究方向 建筑工程技术和管理。 的设计人员需要对基础的类型有清晰的了解,然后在根据 实际的需要进行正确的选型,此外,还需要对基础进行适 当的分析,对其中的条形基础设计等具体内容进行细化分 析和选择。 1独立基础的设计内容与步骤 1)设计基础的结构型式、材料与平面布置; 2)确定基础的埋置深度d; 3)计算地基承载力特征值 ,并经深度和宽度修正,确 定修正后的地基承载力特征值 ; 4)根据作用在基础顶面荷载F和深宽修正后的地基承 载力特征值,计算基础的底面积; 5)计算基础高度并确定剖面形状; 6)若地基持力层下部存在软弱土层时,则需验算软弱 下卧层的承载力; 7)地基基础设计等级为甲、乙级建筑物和部分丙级建 筑物应计算地基的变形; 8)验算建筑物或构筑物的稳定性(如有必要时); 9)基础细部结构和构造设计; 10)绘制基础施工图。 若在1)~7)步骤中不满足要求,可以加大基础宽度b 或加大基础埋置深度d等措施。 2地基基础设计基本规定 2.1地基基础设计等级 地基基础设计可以划分为甲、乙、丙三个等级,具体 情况见表1。 表1 地基基础设计等级 等级 建筑和地基类型 … 一~ 重要的工业与民用建筑物 30层以上的高层建筑体型复杂,层数相差超过10层的高 低层连成一体建筑物 大面积的多层地下建筑物(如地下车库、商场、运动场等) 对地基变形有特殊要求的建筑物 。 复杂地质条件下的坡上建筑物(包括高边坡) 对原有工程影响较大的新建建筑物 场地和地基条件复杂的一般建筑物 位于复杂地质条件及软土地区的2层及2层以上地下室 的基坑工程 乙级 除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物 一 场地和地基条件简单、荷载分布均匀的7层及7层以下民 … 用建筑及一般工业建筑物;次要的轻型建筑物 2.2地基计算的规定 1)建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规 2014年第2期 第40卷总第178期 Sichuan Building Mamnab I・J迂材 ・10l・ 2014年4月 定。 2)甲级、乙级的建筑物应该按地基变形设计。 斜坡上或边坡附近的建筑物应验算其稳定性。 5)基坑工程应进行稳定性验算。 6)当建筑地下室或地下构筑物存在上浮现象时需进行 3)表2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变 形验算。 4)对于受水平荷载的高耸结构、高层建筑、挡土墙及 表2 抗浮验算。可不作地基变形计算的设计等级为丙级建筑物 范圈见表2。 可不作地基变形计算的设计等级为丙级建筑物范圈 注:①地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b(b为基础底面宽度),独立基础下为1.5 b,且厚度均不小于5 m的范围(2层以下一般的 民用建筑除外);②地基主要受力层中如有承载力特征值fa<130 kPa的土层时,表中砌体承重结构的设计,应符合∞50007—20o2《建筑地 基基础设计规范》第7章的有关要求;③表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑。对于工业建筑可按厂房高度、荷栽情况折合成与其相当 的民用建筑层数;④表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值 3地基承载力特征值的确定 确定地基承载力特征值的方法主要有以下几种: 1)按载荷试验确定; 2)根据地基土的抗剪强度指标,按理论公式确定; 3)应用地区建筑经验,采取工程地质类比法确定。 当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5 m时,从载 荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力 特征值,尚应按下式修正: = + 6y(b一3)+ d m(d一0.5) 4.1.1 荷载作用下的基础 Fk+TGAdFk = = F. =Td≤ 得:A≥ ,d—yGa 式中P 一相应于荷载效应标准组合时,上部结构传至基础 顶面处的竖向力值,kPa; 。一基础及回填土的平均重度,一般取2O kN/m ,地 下水位以下取10 kN/m ; d一基础平均埋深,m; A一基底面积,m 。 式中 一修正后的地基承载力特征值,kPa; 允一地基承载力特征值,kPa; 5、叼 一基础宽度和埋深的地基承载力修正系数; 一按上式计算出A后,先选定b或z,再计算另一边长,使A =f×b,一般取l/b=1.0~2.0。 必须指出,在按上式计算A时,需要先确定修正后的地 基底以下土的重度,地下水位以下取浮重度 y /kN/m ; 一基承载力特征值 ,但 值又与基础底面尺寸A有关,也即上 式中的A与 都是未知数,因此,可能要通过反复试算确定。 计算时,可先对地基承载力只进行深度修正,计算 值;然后 按计算所得的A=z・b,考虑是否需要进行宽度修正,使得A、 间相互协调一致。 基底以上土的加权平均重度,地下水位以下取浮 重度/kN/m ; 一基础底面宽度,m;当宽度小于3 m按3 m取值,大 于6 m按6 m取值; 4.1.2 偏心荷载作用下的基础 偏心荷载作用下的基底压力计算公式: d一基础埋置深度,m。 4 柱下独立基础设计 4.1 基础底面尺寸的确认 p p =生 T= c【¨丁J GB50007—2002(建筑地基基础设计规范》(以下简称 当偏心矩 ≥l/6时,基础边缘的最大压力按下式计算: 2(F +G ) Pkmu — 《设计规范》)根据“所有建筑物的地基计算均应满足承载 力”的基本原则,按持力层的承载力特征值计算所需的基础 底面尺寸。要求符合下式要求: P ≤ 式中 一相应于荷载效应标准组合时,上部结构传至基础 顶面处的力矩值,kN; 基础底面的抵抗矩,m’; 一p ≤1.2fo e 一偏心矩,e =M/(Fk+G ),m; Z一力矩作用方向的矩形基础底面边长,m; 6——垂直于力矩作用方向的矩形基础底面边长,m; 式中P 一相应于荷载效应标准组合时,基础底面处的平均 压力值,kPa; P 一一相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘的 一。一偏心荷载作用点至最大压力作用边缘的距离,m,a =(f/2)一e o 最大压力值,kPa; 修正后的地基承载力特征值,kPa。 偏心荷载作用下,按下列步骤确定基础底面尺寸: 1)先不考虑偏心,按轴心荷载条件初步估算所需的基础 ・102・ I・J迂材 Sichuan Building Materials 2014年第2期 第4o卷总第178期 2014年4月 底面积; 中心荷载作用下: Ft≤0. 口 h0 2)根据偏心距的大小,将基础底面积增大10%~4o%, 并以适当比例选定基础长度和宽度,即取基础宽度b为: 厂—] 一 口m:(口I+口6)/2 Fl P Al (L卜L 4 √ 式中,n为基础的长宽比,n=l/b,对矩形截面,一般取n =1.2~2.0。 3)由调整后的基础底面尺寸计算基底最大压力p 和 式中卢b一受冲切承载力截面高度影响系数,当h≤800ram 时,13^P取1.0;当h≥1 200 am时,卢^P取0.9;其间 按线性内插法取用; 混凝土轴心抗拉强度设计值,N/ram ; 一最小压力p 并使其满足P <-L和P ≤1. 的要求。如 不满足要求,或压力过小,地基承载力未能充分发挥,应调整 ^。一基础冲切破坏锥体的有效高度,m; 口m一冲切破坏锥体最不利一侧计算长度,m; 基础尺寸,直至最后确定合适的基础底面尺寸。 通常,基底的最小压力不宜出现负值,即要求偏心距e ≤1/6,但对于低压缩性土及短暂作用的荷载,可适当放宽至 。I≤l/4o 4.2地基变形验算 《设计规范》按不同建筑物的地基变形特征要求,建筑 物的地基变形计算值不应大于地基变形允许值,即: s≤[s] 式中s一地基变形计算值,为地基广义变形值,可分为沉降 量、沉降差、倾斜和局部倾斜等; [s]一地基变形允许值。 ㈦ …"'- IA,A Am: ̄+: : 5/ // qZ-i长 ̄--一 …一一 、、  ̄.\ 图l 中心受压柱基础底板厚度的确定 对于因建筑地基不均匀、荷载差异大及体形复杂等因 素引起的地基变形,在砌体承重结构中应由局部倾斜控制; 在框架结构和单层排架结构中应由相邻柱基的沉降差控制; 在多层、高层建筑和高耸结构中应由倾斜值控制。中心受 压柱基础底板厚度的确定见图1。 4.3基础高度的确定 基础高度由柱边抗冲切破坏的要求确定,设计时先假设 一个基础高度h,然后再验算抗冲切能力。 一冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长,当计 算柱与基础交接处的受冲切承载力时,取柱宽;当 计算基础变阶处的受冲切承载力时,取上阶宽; 一冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范 ●● ● 围内的下边长; P 一扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本 组合时的地基土单位面积净反力; + 一冲切验算时取用的部分基底面积; A =(÷一等一 ) 一(告一等一ho)‘ 8F 一相应于荷载效应基本组合时作用在A 上的地基 土净反力设计值。 偏心荷载作用下:与中心荷载作用下基础底板厚度计算 基本相同,只需将公式F =pnA 中的P 用基础边缘处最大 地基土单位面积净反力P… 代替即可; p p一“ : 了 L(1+ l T) n.0 了 式中en,0一净偏心距。 5基础底板配筋 由于单独基础底板在地基净反力作用下,在两个方向 均发生弯曲,所以两个方向都要配受力钢筋。钢筋面积按 两个方向的最大弯矩分别计算。中心受压柱基础底板配筋 计算见图2。 (a)椎形基础 (b)阶梯形基础 图2 中心受压柱基础底板配筋计算 5.1 中心荷栽作用下基础底板配筋 图3中各种情况的最大弯矩计算公式: (a)柱边(I—I截面): MI= (z ) (2b+bc) (b)柱边(Ⅱ一Ⅱ截面): 轩●2014年第2期 第4o卷总第178期 Sichuan Building Materials I・J迂材 ・103・ 2014年4月 MⅡ= Pn(6一b) (2z+ ) c200 mm,阶梯形基础每个台阶高度一般为300—500 mm。 2)基底垫层。垫层厚度不宜小于70 mm,垫层混凝土 强度等级应为CIO;常做100 mm厚C10素混凝土垫层,每 边各伸出基础100 mm。 (c)阶梯高度变化处(Ⅲ一Ⅲ截面): MⅢ= Pn(z一口1) (2b+61) (d)阶梯高度变化处(Ⅳ一Ⅳ截面): MⅣ= Pn(6一b1) (2l+口1) 3)钢筋。底板受力钢筋直径不小于10 mm,间距不大 于200 mm,也不宜小于100 mm;当基础的边长大于或等于 2.5m时,底板受力钢筋长度可减短10%,并宜均匀交错布 置。 根据以上所算截面弯矩及对应的基础有效高度h。,按 《设计规范》正截面受弯构件承载力计算公式,可以求出每 边所需钢筋面积,或按下式简化计算: . 4)底板钢筋的保护层。当有垫层时不小于40 mm,无 垫层时不小于70 mm。 ^J —90f—ho ,.5)混凝土。混凝土强度等级不应低于C20。 6)基础插筋。现浇柱基础中应留出插筋,插筋在柱内 的纵向钢筋连接以优先采用焊接或机械连接的接头,插筋 在基础内应符合下列要求: (1)插筋的数量、直径、以及钢筋种类应与柱内的纵 向受力钢筋相同。 (2)插筋锚人基础的长度等应满足有关规范要求。 (3)基础中插筋至少需分别在基础顶面下100 mm和 插筋下端设置箍筋,且间距不大于800 mm,基础中箍筋直 径与柱中同。 一 7结论 t I IL L j、I — ——— —一 Ⅱ 吼 L、、 — 地基基础设计是土木工程结构设计的重要组成部分, 必须根据上部结构条件(建筑物的用途和安全等级、建筑布 L 1 1 、、. IⅢ I, l l 10 置、上部结构类型等)和工程地质条件(建筑场地、地基岩 土和气候条件等),结合考虑其他方面的要求(工期、施工条 件、造价和节约资源等),合理选择地基基础方案,因地制 宜,精心设计,以确保建筑物和构筑物的安全和正常使用。 [ID:001067] 参考文献: [1]赵明华.土力学与基础工程[M].2版.武汉:武汉理工大学出 版社,2003. [2]周景星.基础工程[M].2版,北京:清华大学出版社,2007. [3]吴培明.混凝土结构(上)[M].2版.武汉:武汉理工大学出版 社,2003. 图3偏心受压基础底板配筋计 5.2偏心荷栽作用下基础底板配筋 偏心受压基础底板配筋计算时,只需将中心受压计算公式 中的P 换成偏心受压时柱边(或变阶面处)基底设计反力 ,l(或p ,Ⅱ)与的平均值÷(pn,一十p ,Ⅱ)(或 1( .一 I))。 1)基础边缘高度。锥形基础边缘高度一般不小于 6现浇柱下独立基础构造要求 [4]GB50009—2001建筑结构荷载规范[s]. [5]GB50007—2002建筑地基基础设计规范[s]. [6]GB50010—2002混凝土结构设计规范[s]. (上接第99页) 基础方案分析表明,由于采用桩基础需以灰岩做桩端 持力层。以灰岩做桩端持力层,溶洞以及灰岩裂隙水影响 很大,这对桩基施工带来较大的施工难度,而且在灰岩成 孔难度很大,故不采用机械钻孔桩或人工挖孔桩。 经济指标分析:由于该地区要考虑抗浮,地下室必须 做400 mm结构板抗水压力,因此考虑复合地基筏板基础比 较节约。而CFG复合地基就桩来说每m 仅400多元,而机 械钻孔桩每m 约1 000元,采用400 mm的小桩每根仅0.8 m (桩长8 n1)。由于该地区溶洞不发育且有充填物,因此 2)CFG的成孔不能仅局限于螺旋钻等机械成孔方式, 也可以采用人工挖孔的方式。其原理就是因为当配筋桩配 筋不满足一定条件时,桩身的承载力只考虑混凝土的受力, 而配筋或不配筋都是刚性桩,都属于刚性桩范畴。 3)当地层不稳定时或者是地震作用下易液化土层可能 失稳时,应考虑配筋的刚性桩。CFG桩利用的是混凝土的 抗压强度,抗弯能力很差。 4)挖土和截桩时应注意对桩体及桩间土的保护,不得 造成桩体开裂、桩间土扰动等。 5)桩长拖围内有饱和粉土、粉细砂、淤泥、淤泥质 采用CFG复合地基以灰岩之上的残积土为持力层,筏板基 础起到了对溶洞的跨越作用,受力更合理。 土,采用长螺旋钻中心压灌成桩时,宜采用大桩距。 [ID:000996] 4 CFG应用的实用性探讨 参考文献: 高糟恭 里些!以 l广F 地基承载力,同时可以提高地基的抗沉降能力。 二竺G_ 『桩距可以提 ‘3;GBv.,yDt51.0l,)o'd ̄1oL-一 ̄2o1 薯 塑 B/T50…783-2,0。 萎妄 …一………一… 磊 ]