大跨度空間結(jié)構(gòu)拱形基礎(chǔ)底面尺寸的確定

◎王浩然，李 明

（沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

近年來，我國拱形結(jié)構(gòu)體系發(fā)展越來越快，該結(jié)構(gòu)節(jié)省材料、施工快捷，適用于各種建筑屋面，如體育館、展覽館、影劇院、糧倉及工業(yè)廠房等?？臻g結(jié)構(gòu)多種多樣，主要包括懸索、膜、桁架、網(wǎng)架和薄殼等結(jié)構(gòu)。其拱形結(jié)構(gòu)具有的性能是以較小的厚度承受較大的荷載，屬于空間結(jié)構(gòu)受力體系，其受力特點(diǎn)主要承受軸向內(nèi)力，彎矩小，水平力大，受力簡單。材料強(qiáng)度利用廣泛。其中除承受自身靜荷載外，主要需考慮風(fēng)荷載、雪荷載及地震的影響。它是一種以受壓力為主的結(jié)構(gòu)，而且各截面的負(fù)荷又大致相等，是一種良好的大跨度結(jié)構(gòu)，拱身還可以做成折板式或多波式，即是屋面維修結(jié)構(gòu)又兼做拱身承重，自重輕、剛度好，而且外形美觀。拱形建筑結(jié)構(gòu)一般分幾部分，一種是屋蓋及支撐，另一種是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。從國內(nèi)許多資料顯示，拱形結(jié)構(gòu)大體由較高專業(yè)水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)部分一般由當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)院所按上述單位提供的工藝尺寸、受力情況、荷載要求進(jìn)行基礎(chǔ)施工圖設(shè)計(jì)。拱形建筑雖然受力簡單，但基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也顯得相當(dāng)重要，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者必須對上部結(jié)構(gòu)受力及要求進(jìn)行消化理解。認(rèn)真復(fù)核，做到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全，以確保整個結(jié)構(gòu)的正常使用。以下筆者通過工程實(shí)例就拱形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分析及計(jì)算進(jìn)行簡要闡述。

1 拱形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的組成

拱形建筑基礎(chǔ)有別于其他建筑物，除地下埋置深度外，還包括上部支撐（見圖1）和基礎(chǔ)部分。

圖1 拱形建筑的上部職稱結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)使用功能的不同，可分為柱支撐、墻體支撐；根據(jù)使用要求，又分為封閉式、開敞式；根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的地質(zhì)條件，分為樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)。目前獨(dú)立基礎(chǔ)應(yīng)用的比較廣泛，因?yàn)榛A(chǔ)施工簡單、造價(jià)低，是許多使用單位的首選。

2 獨(dú)立基礎(chǔ)的受力分析

柱下獨(dú)立基礎(chǔ)分為軸心受壓和偏心受壓，偏心受壓柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的計(jì)算與軸心受壓柱下單獨(dú)基礎(chǔ)的計(jì)算基本相同，只是在偏心壓力作用下，基礎(chǔ)底面的壓力分布不是均勻的。因此，只是在計(jì)算地基反力及基礎(chǔ)強(qiáng)度計(jì)算公式中不考慮基礎(chǔ)及其土自重影響在內(nèi)地基凈反力值取法上與軸心受壓基礎(chǔ)有所不同。獨(dú)立柱下基礎(chǔ)底面一般受力有如下3種情況：偏心距小于a/6、等于a/6、大于a/6，見圖2。

圖2 獨(dú)立柱下基礎(chǔ)底面受力情況圖

當(dāng)受偏心荷載作用時，Pkmax=Fk+Gk/A+Mk/W；Pkmin=F+Gk/A-Mk/W。當(dāng)基礎(chǔ)底面形狀為矩形且偏心距e大于b/6時，Pkmax應(yīng)按下列公式計(jì)算：Pkmax=2（Fk+Gk）/3Ld，見圖3。

圖3 相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時基礎(chǔ)底面積邊緣的最大壓力值圖

其中，Pkmax為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面積邊緣的最大壓力值（kPa）；Pkmin為相對于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面積邊緣的最小壓力值（kPa）；F為相對于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值（kN）；G為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重（kN）；A為基礎(chǔ)底面面積（m2）；Fa為修正后的地基承載力特征值（kPa）。

3 地基基礎(chǔ)承載力特征值的取值

對于地基基礎(chǔ)承載力特征值的取值規(guī)范有嚴(yán)格要求，可根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及原為測試、公式計(jì)算，一定要結(jié)合具體工程實(shí)線及經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，最后確定，確保工程萬無一失。當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3 m或埋深大于0.5 m時，基礎(chǔ)要進(jìn)行承載力特征值修正，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，尤其是在大偏心基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時顯得尤為重要。

4 基礎(chǔ)底面結(jié)構(gòu)尺寸的確定

偏心受壓柱下單獨(dú)基礎(chǔ)的底面尺寸一般按試計(jì)算法確定。往往是按經(jīng)驗(yàn)給定一個尺寸，或按軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行估算，再考慮偏心作用。拱形結(jié)構(gòu)屬于大偏心受壓。

5 工程實(shí)例

已知條件，水平力Ha=22.1 kN，軸向力Na=25.7 kN，彎矩Ma=11.9 kN（上部結(jié)構(gòu)），地面距檐口高度5 m，柱距6 m。柱子400 mm×400 mm、柱上過梁400 mm×400 mm。初步確定墊層100 mm，承臺高度500 mm。粉質(zhì)黏土，地基承載力特征值Fak=130 kPa。

內(nèi)力計(jì)算如下：

經(jīng)以上驗(yàn)算基礎(chǔ)底面尺寸滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

在全跨均布荷載的作用下拱身的彎矩很小，當(dāng)不計(jì)拉桿及拱身變形影響時，拱直線為拋物線，拱內(nèi)彎矩為0。但在局部荷載作用時，不論是集中荷載或均布荷載，都會產(chǎn)生較大的彎矩。20世紀(jì)70年代，許多拱形建筑結(jié)構(gòu)均設(shè)有拉桿，90年代后，大部分除滿足構(gòu)造要求外，取消拉桿，屋蓋的受力均由基礎(chǔ)部分承擔(dān)，這對建筑美觀大大提升了空間立體感觀。

參考文獻(xiàn)：

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