3、地基条件对基础受力的影响
基础的受力状况还取决于地基土的压缩性及其分布的均匀性。当地基土不可压缩时,基础不仅不会产生整体弯曲,局部弯曲也很小,同时上部结构因沉降产生的附加应力亦很小。实际工程中,常遇到的地基土均有一定(有时较大)的压缩性,且其分布有时也不均匀。如下图所示的两种情况,基础弯矩图截然不同。
五、筏形基础设计
筏形基础也称为片筏基础或筏式基础,是高层建筑中常用的一种基础形式,它适用于高层建筑地下部分用做商场、停车场、机房等大空间房屋。筏形基础具有整体刚度大,能有效地调整基底压力和不均匀沉降,并有较好的防渗性能;同时,天然地基上的筏形基础以整个房屋下大面积的筏片与地基相接触,可使地基承载力随着基础埋深和宽度的增加而增大,使基础的沉降随着埋深的增加而增大,因而它具有减小基底压力和调整不均匀沉降的能力。
筏形基础可分为平板式筏形基础和梁板式筏形基础,如下图所示。平板式筏形基础[图(a)]是一块厚度相等的钢筋混凝土平板,其厚度通常为1m—2.5m,故混凝土用量大,但施工方便,建造速度快。梁板式筏形基础[图(b)、(c)]的底板厚度较小,在两个方向上沿柱列布置有肋梁,以加强底板的刚度,改善底板的受力。这种基础实质上是一个钢筋混凝土肋梁楼盖,其优点是节省混凝土用量,但模板及施工较复杂。平板式筏形基础适用于柱荷载不大、柱距较小且等柱距的情况,当荷载较大时,可以加大柱下的板厚[图(d)];当柱荷载较大且不均匀,柱距又较大时,可采用梁板式筏形基础。
1、筏形基础尺寸的确定
筏形基础的平面尺寸应根据地基土的承载力、上部结构的布置及其荷载的分布等因素确定。在确定基础平面尺寸时,为避免基础发生过大的倾斜和改善基础受力状况,应使基础平面形心与上部结构竖向荷载重心之间的偏心距满足要求;否则,可通过改变基础底板在四边的外伸长度来调整基底的形心位置,或采取减小柱荷载差的措施,调整上部结构竖向荷载的重心,尽可能使上部结构竖向荷载的重心与基础平面的形心相重合。
当满足地基承载力时,筏形基础的周边不宜向外有较大的伸挑扩大。当需要外挑时,其外挑长度一般不宜大于同一方向边跨柱距的1/4—1/3,同时宜将肋梁伸至筏板边缘;周边有墙的筏形基础,其外挑长度一般为1m 左右,也可不外伸。
平板式筏形基础的板厚可根据受冲切承载力计算确定,板厚不宜小于400mm。冲切计算时,应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力。当柱荷载较大,等厚度筏板的受冲切力不能满足要求时,可将筏板上面增设柱墩或在筏板下局部增加板厚或配置抗冲切钢筋来提高受冲切承载力。对墙下筏式基础,宜采用等厚度的平板式筏板,设计时可根据上部结构开间及荷载大小由经验确定,也可根据楼层按每层50mm 估算,并进行受冲切承载力计算。梁板式筏形基础的底板除计算正截面受弯承载力外,其厚度尚应满足受冲切承载力和受剪承载力的要求;对12 层以上建筑的梁板式筏形基础,其底板厚度与最大双向板格的短边净跨之比不应小于1/14,且不得小于400mm。肋梁截面应满足正截面受弯及斜截面受剪承载力,并应验算底层柱下的肋梁顶面局部受压承载力;肋梁高度取值应包括底板厚度在内,梁高不宜小于平均柱距的1/6;肋梁的宽度不宜过大,在设计剪力满足
的
条件下,当梁宽小于柱宽时,可将肋梁在柱边加腋以满足构造要求(下图 (a)、(b));因此,肋梁截面应综合考虑荷载大小、柱距、地质条件等因素,经计算满足承载力的要求。当柱荷载较大时,可在柱侧肋梁加腋。
底层柱、墙与梁板式筏形基础的肋梁连接应满足下图所示的构造要求,即柱、墙的边缘至肋梁边缘的距离不应小于50mm。
2、筏形基础的基底反力及内力计算
筏形基础的设计方法,根据采用的假定不同可分为刚性板方法和弹性板方法两大类。弹性板方法又可分为经典解析法、数值分析法(如有限差分法、有限单元法和样条函数法)和等代交叉弹性地基梁法等;弹性板方法虽未考虑上部结构的作用,但考虑了地基与基础的相互作用,与实际情况较为符合。刚性板方法也称为倒楼盖法,常用的有板带法和双向板法,该方法既不考虑上部结构刚度,也不考虑地基、基础的相互作用,即假定基础为绝对刚性,地基反力呈直线分布。由于刚性板方法较为简单,且在多数情况下也能满足工程计算的需要,在工程中得到了广泛应用。本节仅介绍刚性板方法。
当地基土比较均匀,上部结构刚度较好,平板式筏形基础的厚跨比或梁板式筏形基础的肋梁高跨比不小于1/6,柱间距及柱荷载的变化不超过20%时,高层建筑的筏形基础可仅考虑局部弯曲作用,按倒楼盖法(即刚性板方法)进行计算。按刚性板方法计算时,假定基础底板相对于地基而言是绝对刚性的,则筏形基础的内力可按基底反力直线分布进行计算。当不符合上述条件,如地基比较复杂、上部结构刚度较差,或柱荷载及柱间距变化较大时,筏形基础的基底反力宜按弹性板方法进行计算。
将坐标原点置于筏形基础的形心处,则基底反力可按下式计算
由上式求得基底反力后,可进行地基承载力验算。基础内力计算时采用基底净反力,计算时应扣除底板自重及其上填土自重,将基底净反力视为荷载,按倒楼盖法进行筏形基础内力的计算。
(1)平板式筏形基础内力计算对平板式筏形基础,当相邻柱荷载和柱距变化不大时,可将筏板在x方向划分为相互垂直的板带,板带的分界线为相邻柱列间的中线,如下图示,取出每一条板带按独立的条形基础进行内力计算。
由于独立的板带没有考虑板带相互间的剪力影响,致使每一条板带柱荷载总和与基底净反力总和不平衡,因此,在计算板带内力之前应进行必要的调整。图中的ABCH 板带,柱荷载总和为
基底净反力的平均值为
柱荷载和基底净反力均按其平均值进行修正,则柱荷载的修正系数为
修正的基底平均净反力可按下式计算
计算简图如上图所示,可采用静力平衡法或弯矩分配法等进行基础板带的内力计算。
对平板式筏形基础,当一个计算单元荷载相差不超过20%时,可将地基反力视为均匀分布,按柱网划分为纵、横两个方向的柱下板带和跨中板带,采用无梁楼盖中的计算方法,如等代框架法、经验系数法等,可进行柱下板带和跨中板带的内力分析。对柱下板带中,柱宽及其两侧各0.5 倍板厚且不大于1/4 板跨的有效宽度范围内,其钢筋配置量不应小于柱下板带钢筋数量的一半,且能承受部分不平衡弯矩。