淺談?wù)w式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

談云翔

駐馬店市建筑勘察設(shè)計(jì)院有限公司（463000）

生產(chǎn)技術(shù)

淺談?wù)w式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

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整體式基礎(chǔ)因其自身在平面外剛度的有限性，在上部結(jié)構(gòu)不均勻荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形差，導(dǎo)致筏板內(nèi)力和配筋量的增加。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)其的影響，即考慮基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用，使基礎(chǔ)平面外剛度得到加強(qiáng)，從而大幅提高抵抗上部結(jié)構(gòu)傳來的不均勻荷載的能力，減少變形差，使得構(gòu)件的內(nèi)力與配筋相應(yīng)變小，達(dá)到的經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)要求。

上部結(jié)構(gòu)剛度；整體式基礎(chǔ)；柱墩

1 上部結(jié)構(gòu)剛度在整體式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對(duì)于整體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（如筏板基礎(chǔ)、柱下條形基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)等），因其自身在平面外剛度的有限性，在上部結(jié)構(gòu)不均勻荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形差，導(dǎo)致筏板內(nèi)力和配筋量的增加。根據(jù)現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007-2011第8.4.21條規(guī)定:在同一大面積整體筏形基礎(chǔ)上建有多棟高層和低層建筑時(shí)，筏板的厚度和配筋宜按照上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基土共同作用基礎(chǔ)變形和基底反力計(jì)算確定。第7.1.3條規(guī)定:軟弱地基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)和地基的共同作用。對(duì)建筑體型、荷載情況、結(jié)構(gòu)類型和地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，確定合理的建筑措施、結(jié)構(gòu)措施和地基處理方法?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008中關(guān)于變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)第2.1.10條的解釋:考慮上部結(jié)構(gòu)形式、荷載和地層分布以及相互作用效應(yīng)，通過調(diào)整樁徑、樁長、樁距等改變基樁支承剛度分布,使建筑物沉降趨于均勻、承臺(tái)內(nèi)力降低。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)其的影響,即考慮基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用，其原理是把上部結(jié)構(gòu)的剛度疊加到基礎(chǔ)構(gòu)件上，使基礎(chǔ)平面外剛度得到加強(qiáng)，從而大幅提高抵抗上部結(jié)構(gòu)傳來的不均勻荷載的能力，減少變形差，使得構(gòu)件的內(nèi)力與配筋相應(yīng)變小，使設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理性。

1.1 考慮上部結(jié)構(gòu)剛度、基礎(chǔ)與地基的共同作用

JCCAD軟件可以讀取SATWE、PMSAP、TAT等上部結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算后傳到基礎(chǔ)的柱、墻內(nèi)力，并能考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響。軟件對(duì)地基梁、筏板、樁筏等整體基礎(chǔ)，可采用上部結(jié)構(gòu)剛度凝聚法、上部結(jié)構(gòu)剛度無窮大的倒樓蓋法和上部結(jié)構(gòu)等代剛度法等多種方法考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的影響，其主要目的就是控制整體性基礎(chǔ)的非傾斜性沉降差，即控制基礎(chǔ)的整體彎曲。

上部結(jié)構(gòu)剛度凝聚法是采用SATWE、PMSAP、TAT等上部結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算形成的上部結(jié)構(gòu)剛度信息，根據(jù)相關(guān)構(gòu)件，把它凝聚到下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度矩陣中進(jìn)行求解，其計(jì)算結(jié)果對(duì)于下部基礎(chǔ)而言就是上下部結(jié)構(gòu)共同作用計(jì)算的理論解。使用該方法的前提條件是在進(jìn)行TAT、PMSAP和SATWE計(jì)算時(shí)要選擇將剛度傳給基礎(chǔ)，生成“TATFDK.TAT”、“SATFDK.SAT”和“SAPSDK.SAP”的文件，如圖1所示。

圖1 SATWE計(jì)算控制參數(shù)

JCCAD軟件在進(jìn)行樁筏、筏板有限元計(jì)算中關(guān)于上部結(jié)構(gòu)剛度影響的選擇分四種情況，即不考慮TAT上部結(jié)構(gòu)剛度、SATWE上部結(jié)構(gòu)剛度和PMSAP上部結(jié)構(gòu)剛度，如圖2所示。

圖2 樁筏計(jì)算中考慮上部結(jié)構(gòu)影響選擇

在基礎(chǔ)梁板彈性地基梁法計(jì)算中關(guān)于上部結(jié)構(gòu)剛度影響分五種情況考慮，如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)梁板彈性地基梁法計(jì)算方法

1）按普通彈性地基梁計(jì)算是指進(jìn)行彈性地基梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響。

2）考慮等代上部結(jié)構(gòu)剛度的彈性地基梁計(jì)算:是指進(jìn)行彈性地基梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可考慮一定的等代上部結(jié)構(gòu)剛度的影響。上部結(jié)構(gòu)剛度影響的大小可用上部結(jié)構(gòu)等代剛度為基礎(chǔ)梁剛度的倍數(shù)來表達(dá)，該倍數(shù)主要與上部結(jié)構(gòu)層數(shù)、結(jié)構(gòu)跨數(shù)及地基梁與上部結(jié)構(gòu)梁剛度比有關(guān)。

3）上部結(jié)構(gòu)為剛性的彈性地基梁計(jì)算是指進(jìn)行彈性地基梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將等代上部結(jié)構(gòu)剛度考慮的非常大（200倍），以至于各節(jié)點(diǎn)的位移差很?。ú话ㄕw傾斜引起的位移差），如框支剪力墻結(jié)構(gòu),此時(shí)幾乎不存在整體彎矩，只有局部彎矩，其結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的倒樓蓋法。一般來說，如果跨度相差不大，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后，各梁的彎矩相差不太大，配筋更加均勻了。

4）SATWE上部剛度進(jìn)行彈性地基梁計(jì)算是SATWE或TAT計(jì)算的上部結(jié)構(gòu)剛度用子結(jié)構(gòu)方法凝聚到基礎(chǔ)上。該方法最接近實(shí)際情況，用于框架結(jié)構(gòu)非常理想。選擇該項(xiàng)的條件是必須在計(jì)算SATWE或TAT時(shí)，選擇把剛度傳給基礎(chǔ)項(xiàng)，如果兩種數(shù)據(jù)都存在時(shí)，優(yōu)先使用SATWE剛度。

5）普通梁單元?jiǎng)偠染仃嚨牡箻巧w方式計(jì)算是采用傳統(tǒng)的倒樓蓋方法，梁單元取用了考慮剪切變形的普通梁單元?jiǎng)偠染仃?。一般來說，該方法計(jì)算的局部彎矩較彈性地基梁法大，但由于柱子、墻體的節(jié)點(diǎn)沒有豎向位移，因此沒有考慮到梁的整體彎矩，其計(jì)算結(jié)果明顯不同于彈性地基梁方法。

1.2 上部結(jié)構(gòu)剛度在樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用變剛度調(diào)平概念設(shè)計(jì)來減少差異變形，降低承臺(tái)內(nèi)力和配筋，在具體實(shí)施中，就是要進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基（樁土）共同作用分析計(jì)算，計(jì)算沉降等值線、承臺(tái)內(nèi)力和配筋，通過不斷的優(yōu)化布樁，取得合理的結(jié)果。以下工程實(shí)例，分別給出了考慮或不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度時(shí)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果。

某小區(qū)商住樓，框支剪力墻結(jié)構(gòu)，地上14層，無地下室，建筑高度45.30 m，抗震設(shè)防烈度6度，三類場地,基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承臺(tái)基礎(chǔ)?？紤]上部結(jié)構(gòu)剛度時(shí)樁反力相互間差別不大，沉降圖中各承臺(tái)間沉降差較小。不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算的樁反力差別較大，沉降圖中各承臺(tái)間沉降差較大。樁基承臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)于承載力和變形的影響十分明顯:不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度樁反力差異性較大，基礎(chǔ)的沉降差異也較大；考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后單樁反力更加均勻，差異沉降也減小。

考慮上部結(jié)構(gòu)剛度后，計(jì)算結(jié)果不僅滿足荷載與抗力的整體平衡，也滿足荷載與抗力的局部平衡，從而有效減小差異沉降，降低承臺(tái)內(nèi)力和配筋，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

2 柱墩布置及對(duì)筏板配筋影響

工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于平板式基礎(chǔ)而言，柱下（或墻下）受力較為集中，沖切計(jì)算結(jié)果有時(shí)不能滿足規(guī)范要求，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.4.7條規(guī)定：當(dāng)柱荷載較大，等厚度筏板的受沖切承載力不能滿足要求時(shí)，可在筏板上面增設(shè)柱墩或在筏板下局部增加板厚，或采用抗沖切箍筋來提高受沖切承載能力。在豎向構(gòu)件下布置柱墩是一種比較常見的方法。新版的JCCAD軟件能夠?qū)崿F(xiàn)上柱墩和下柱墩的布置與相關(guān)計(jì)算。以下將對(duì)JCCAD中上下柱墩的布置及計(jì)算做一些探討。

2.1 上柱墩與下柱墩的比較

工程中，底部與筏板頂部相齊平的柱墩為上柱墩，又稱底平形變厚度筏板，如圖4中的a圖所示。頂部與筏板底部相齊平的柱墩為下柱墩，又稱頂平形變厚度筏板，如圖4中的b圖和c圖所示。

圖4 上下柱墩

上柱墩通常有效剛性角范圍大，筏板底部鋼筋受力直接，利用率高，施工難度較小，可以節(jié)約混凝土用量，但對(duì)使用空間有不利影響。下柱墩有效剛性角范圍小，筏板底部鋼筋受力不直接，利用率低，施工難度較大，且質(zhì)量難以保證。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，一般情況下，不宜采用普通下柱墩，如必須采用下柱墩時(shí)，也應(yīng)該采用元寶形的下柱墩。

2.2 JCCAD中上下柱墩的布置及沖切計(jì)算

進(jìn)入JCCAD中的“基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入”后，在“上部構(gòu)件”的“柱墩”菜單里能夠?qū)崿F(xiàn)上下柱墩的定義。定義上柱墩時(shí)，端高與高尺寸相同時(shí)顯示為“矩形平墩”，端高尺寸小于高尺寸時(shí)顯示為“矩形錐墩”，如圖5所示。定義下柱墩時(shí),在對(duì)話框中“坡度”一項(xiàng)填入90°，則是上面提到的普通下柱墩。如果“坡度”填入0°～90°之間的值，則是上面提到的元寶形下柱墩。要注意的是，如果填入的坡度值小于30°，程序會(huì)自動(dòng)處理為30°坡。

圖5 柱墩尺寸

上下柱墩均分為剛性柱墩和柔性柱墩，當(dāng)定義的柱墩截面尺寸符合剛性角要求時(shí)，即為剛性柱墩。一般情況下，剛性柱墩可以滿足柱對(duì)柱墩的沖切要求。柱墩尺寸是否滿足剛性角要求可以通過“查剛性角”菜單查看。如圖6所示，實(shí)線顯示的為上柱墩，虛線顯示的為下柱墩。如果不滿足剛性角要求，程序?qū)⒃谥胀猱嫾t圈顯示。不滿足剛性角要求的柱墩為柔性柱墩。如果下柱墩為剛性柱墩，此時(shí)整個(gè)柱墩在沖切范圍以內(nèi)，將不能提高筏板基礎(chǔ)的抗沖切能力。其余下柱墩中的柔性柱墩及上柱墩均能提高筏板基礎(chǔ)的抗沖切能力。因此，在布置柱墩時(shí)，應(yīng)該避免剛性下柱墩的出現(xiàn)。無論是剛性柱墩還是柔性柱墩，程序均在執(zhí)行“柱沖切板”菜單時(shí)完成柱對(duì)柱墩、柱墩對(duì)板的沖切驗(yàn)算，并輸出圖形與文本文件。值得注意的是，JCCAD對(duì)于帶有柔性下柱墩的柱沖切板的驗(yàn)算，不僅考慮了柱對(duì)變厚度筏板的沖切破壞面，還考慮了筏板變厚度處的沖切破壞面，如圖7虛線所示。

圖6 柱墩尺寸

圖7 筏板變厚度處的沖切破壞面

2.3 柱墩對(duì)筏板內(nèi)力計(jì)算的影響

剛性柱墩對(duì)筏板內(nèi)力計(jì)算的影響：如果用戶在基礎(chǔ)交互建模布置了剛性柱墩，那么在筏板內(nèi)力計(jì)算時(shí)不考慮它對(duì)筏板的影響，即樁筏筏板有限元程序在筏板內(nèi)力計(jì)算時(shí)忽略剛性柱墩，但在筏板配筋計(jì)算時(shí)，程序?qū)?huì)剔除剛性柱墩范圍內(nèi)的內(nèi)力值，即僅選擇柱墩范圍外的內(nèi)力值進(jìn)行配筋。

柔性柱墩對(duì)筏板內(nèi)力計(jì)算的影響：如果用戶在基礎(chǔ)交互建模布置了柔性柱墩，那么在樁筏筏板有限元計(jì)算中，程序?qū)⒆詣?dòng)將其當(dāng)做一塊變厚度筏板進(jìn)行有限元分析。筏板內(nèi)力計(jì)算時(shí)，給出這塊局部變厚度筏板的內(nèi)力值、配筋值。變厚度筏板的配筋結(jié)果如圖8所示。

圖8 變厚度筏板的配筋結(jié)果

3 結(jié)論

在計(jì)算柱對(duì)筏板的沖切時(shí)，程序會(huì)根據(jù)柱墩尺寸區(qū)分是剛性還是柔性。若為柔性，則在沖切計(jì)算時(shí)考慮柱墩厚度對(duì)筏板沖切計(jì)算的有利作用。若為剛性柱墩，則不考慮柱墩厚度。在有限元計(jì)算時(shí)，程序都將柱墩視為變厚度筏板來對(duì)待，在配筋的時(shí)候考慮柱墩厚度的影響。

[1]JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]朱炳寅,婁宇,楊琦.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析[M].建筑工業(yè)出版社.

[4]獨(dú)基、條基、鋼筋混凝土地基梁、樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件用戶手冊[M].

[5]JCCAD S-5,中國建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司設(shè)計(jì)條件事業(yè)部[S].