平板筏基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

■王宏志 ■吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130022

基礎(chǔ)是高層建筑傳遞豎向荷載到地基，并保證上部結(jié)構(gòu)受到水平荷載(即風(fēng)荷載及地震作用)時(shí)仍能保持足夠穩(wěn)定的重要保障。筏板基礎(chǔ)基底面積大，整體性好，調(diào)適不均勻地基沉降能力強(qiáng)，而且高層建筑地下室常用作地下停車庫(kù)，不便設(shè)置較多的隔墻，筏板基礎(chǔ)比箱形基礎(chǔ)更易滿足停車庫(kù)的空間使用需求。筏板基礎(chǔ)包括梁板式和平板式兩種類型，后者比前者抗沖切和抗剪切能力更強(qiáng)，構(gòu)造更簡(jiǎn)單，施工也更方便，大量工程實(shí)踐和工程事故分析也表明平板筏基適應(yīng)性更好，所以它是較為理想的基礎(chǔ)型式，并在高層建筑中獲得廣泛應(yīng)用［1，2］。但是地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法等差異，使得平板筏基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍有許多細(xì)節(jié)值得考究，因此本文對(duì)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 平板筏基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 平板筏基的設(shè)計(jì)方法

筏基設(shè)計(jì)方法分為簡(jiǎn)化計(jì)算方法、考慮地基和基礎(chǔ)共同作用的方法、地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同作用的方法。

簡(jiǎn)化計(jì)算方法是把地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分割成三個(gè)部分，再獨(dú)立求解。這種方法假定基底壓力呈直線分布，只有筏板剛度相對(duì)地基剛度較大時(shí)才適用。若上部結(jié)構(gòu)的剛度很大，可采用倒樓蓋法或倒梁法;而上部結(jié)構(gòu)能為柔性結(jié)構(gòu)，則可采用靜定分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)。倒樓蓋法適于平板筏基厚跨比≥1/6 且柱荷載、柱間距的變化≤1/5 的情形，可按照無(wú)梁樓蓋的方法截取柱下板帶及跨中板帶進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)地基反力均勻布置在基礎(chǔ)底面上。柱下板帶有效寬度范圍內(nèi)(即柱寬加兩側(cè)0.5 倍板厚且不超過(guò)1/4 板跨范圍)的配筋量不得少于柱下板帶鋼筋量的1/2，并應(yīng)能承受作用于沖切截面重心上的不平衡彎矩的作用。倒樓蓋法力學(xué)概念清楚，計(jì)算簡(jiǎn)易，目前仍為許多設(shè)計(jì)人員習(xí)慣采用。倒梁法是指將筏板分割為獨(dú)立的條帶，并把相鄰柱列間跨中到跨中的距離作為條帶寬度，并忽略條帶間的剪力傳遞，計(jì)算出條帶下的基底凈線反力后就可以利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行倒梁法計(jì)算。靜定分析法也按倒梁法分割板帶，再用修正荷載的方法近似板帶間的剪力傳遞，然后就可以用靜定分析法計(jì)算任意截面的內(nèi)力。

考慮地基和基礎(chǔ)共同作用是把筏板與地基作為一個(gè)整體來(lái)研究，上部結(jié)構(gòu)僅作為荷載考慮，適用于地基比較復(fù)雜、上部結(jié)構(gòu)剛度較差或柱荷載、柱間距變化較大的情形，一般按地基上的梁板方法進(jìn)行分析，例如彈性地基梁板模型(艾克爾地基模型)就是一種簡(jiǎn)單的線彈性模型。由于板厚遠(yuǎn)小于長(zhǎng)寬兩個(gè)方向的尺寸，可采用薄板理論進(jìn)行分析，并利用有限差分法、有限單元法等進(jìn)行計(jì)算。

地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同作用的方法是將三者作為一個(gè)整體，目前多采用單向壓縮分層總和法，例如《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007 -2011)也規(guī)定采用這種方法。單向壓縮分層總和法也就是分層地基模型，由于考慮了地基土的壓縮特性以及地基壓縮層深度的影響，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。計(jì)算土體附加應(yīng)力時(shí)可采用彈性解的明德林(Mindlin)應(yīng)力公式，但是按該公式計(jì)算出的基礎(chǔ)沉降和內(nèi)力往往偏大而可能產(chǎn)生較大的設(shè)計(jì)偏差，所以需要進(jìn)行修正。修正系數(shù)是(是集中力作用點(diǎn)偏離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，是集中力作用點(diǎn)偏離計(jì)算點(diǎn)的距離)。修正以后計(jì)算結(jié)果會(huì)更符合實(shí)際情況。目前，可采用有限單元法、有限條分法、邊界元等進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)有1 算例，樓層12，層高3.6m，筏板厚1.0m，采用ANSYS12.0 軟件進(jìn)行地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同分析，圖1 是算例模型平面圖。得到沉降和應(yīng)力分析結(jié)果如圖2～3 所示。可見(jiàn)，常規(guī)方法(簡(jiǎn)化計(jì)算方法)與共同作用法有明顯差異，常規(guī)方法基礎(chǔ)沉降差較大，是沒(méi)有考慮上部結(jié)構(gòu)“邊柱增載效應(yīng)”之故［3］;常規(guī)方法不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度影響，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果也比共同作用法偏大，因此采用共同作用法更加科學(xué)合理。

1.2 平板筏基的型式與構(gòu)造措施

平板筏基由厚板基礎(chǔ)組成，主要型式包括等厚筏板基礎(chǔ)、局部加厚筏板基礎(chǔ)和變厚度筏板基礎(chǔ)等。一般情況下，可采用等厚筏板基礎(chǔ)，其形狀類似倒置的無(wú)梁樓蓋;但當(dāng)柱荷載較大，筏板抗沖切能力不滿足要求時(shí)，可采用局部加厚筏板或變厚度筏板型式，也可以通過(guò)調(diào)整配筋(如采用抗沖切筋)的做法來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。

筏板厚度一般通過(guò)抗沖切、抗剪切計(jì)算來(lái)確定，多層建筑筏板厚度不宜小于200mm，高層建筑的平板厚度不應(yīng)小于400mm。為了確保底板的剛度和強(qiáng)度，應(yīng)在大跨度柱間進(jìn)行加強(qiáng)，如設(shè)置加強(qiáng)板帶或暗梁等。

平板筏基邊緣一般應(yīng)懸臂挑出，其作用在于:一是懸挑可增大基底面積，更好地滿足地基承載力要求，但是懸挑部分以橫向設(shè)置為宜;二是調(diào)整基礎(chǔ)重心，通過(guò)懸挑使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的合力作用點(diǎn)重合，可減少傾覆傾向;三是減少基底反力對(duì)筏板彎矩的影響。懸挑長(zhǎng)度宜為邊跨柱距的25%～30%，并且挑出長(zhǎng)度不小于板厚(1.0～1.5)倍。

筏板配筋除滿足計(jì)算要求以外，還應(yīng)關(guān)注以下情況:一是滿足構(gòu)造配筋要求，規(guī)范要求配筋率不低于0.15%，但是筏板較厚，所以筏板在柱下和跨中部位的底部鋼筋應(yīng)有35%～50%貫通全垮，而頂部鋼筋應(yīng)按配筋率要求全部拉通，例如分布筋取Φ8@250(板厚≤250mm)和Φ10@200(板厚＞250mm)。二是懸挑邊角等部位應(yīng)采取另設(shè)放射狀的附加鋼筋等措施。

2 平板筏基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 工程概況

某高層建筑地上23 層，地下2 層，總建筑面積約2.6 萬(wàn)m2，總高度近90m，基礎(chǔ)埋深約9m。上部結(jié)構(gòu)為框剪結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為8.6m×6.6m。抗震設(shè)防7 度，基本加速度0.15g，場(chǎng)地Ⅱ類，地基基礎(chǔ)乙級(jí)。場(chǎng)地為河流階地，覆蓋層為第四系沉積物，由上至下依次為人工填土、粉土、細(xì)砂、中砂、粉土夾粉質(zhì)黏土、中砂、粉質(zhì)黏土、中砂。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)條件，采用平板筏基。首先，按照GB 50007 -2011第8.4.2 規(guī)定，確定基底平面形心與結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心偏心距。其次，按5.1.4 規(guī)定，基礎(chǔ)埋深不小于建筑物高度的1/15，本工程滿足要求。筏基落在粉土層上，特征承載力為140kPa，不滿足基礎(chǔ)壓應(yīng)力420kPa 的要求，決定采用CFG 樁處理，復(fù)合地基承載力為430kPa，滿足要求。筏板厚度取1.6 m，C30 混凝土，按8.4.7 規(guī)定驗(yàn)算筏基柱下沖切746kN/m2＜933N/m2，滿足要求。同樣按8.4.10，驗(yàn)算筏基受剪承載力也滿足要求。由于地基土比較均勻，無(wú)液化軟弱土層，上部結(jié)構(gòu)剛度較大，筏基內(nèi)力按基底反力直線分布計(jì)算板帶彎矩及各控制截面的配筋量。

3 結(jié)束語(yǔ)

平板筏基以良好的整體性、承載能力而在高層建筑中獲得廣泛應(yīng)用，但正如其設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了不考慮共同作用到考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基的共同作用的過(guò)程，粗糙到精確意味著在滿足結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。然而各地巖土工程地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)都存在一定的差異性，唯有綜合各種因素，全面考察造價(jià)、工期、工法，才能選出最合理的基礎(chǔ)形式。

［1］陳榮欣.高層建筑平板式筏基設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題［J］.建材世界，2013，34(2):78 -81，85.

［2］孫鵬程，吳佳禎，吳彬.某服務(wù)中心平板式筏基優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.江蘇建筑，2014(3):66 -69.

［3］王中原，郭小剛，張曉岸.框架—筏基—地基相互作用的有限元分析［J］.邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，11(2):34 -37.