柱下交叉條形基礎設計

龍業(yè)平（湖南省建筑設計院，湖南長沙410011）

柱下交叉條形基礎設計

龍業(yè)平（湖南省建筑設計院，湖南長沙410011）

結合益陽某高層商業(yè)建筑的工程實踐，根據(jù)地質(zhì)條件、上部結構剛度與荷載、工期、經(jīng)濟等方面進行了獨立柱基、樁基、柱下交叉條基方案的比較并確定本工程采用柱下交叉條基。詳細介紹了柱下交叉條基的設計方法。計算結果表明本工程采用柱下交叉條形基礎是合適的。

地基基礎設計；獨立柱基；樁基、柱下交叉條基

引言

地基基礎設計是工程設計的重要組成部分，在建設投資中占的比重較大，建設方也極為重視。由于地質(zhì)條件差異性及影響因素的多樣性，地基基礎設計要比上部結構設計要復雜很多。在滿足地基承載力和變形要求的情況下，高層建筑的地基基礎設計中往往存在多種選擇方案，而如何對這些方案進行綜合評價和分析，從中選擇出經(jīng)濟、可靠的地基基礎方案，在當前注重經(jīng)濟和社會效益的環(huán)境下是一件很有現(xiàn)實意義的工作。本文將結合益陽某高層商業(yè)建筑工程實踐，重點介紹柱下交叉條基設計的過程。

1 工程概況

本工程為益陽市赫山區(qū)某商業(yè)綜合體建筑，總用地面積為4.7萬m2，總建筑面積為8.3萬m2，由A號樓、B號樓、C號樓組成，全部為地上建筑無地下室。其中A號樓為二至四層商業(yè)樓，建筑高度為17.20～22.90m；B號樓為二至四層停車場，局部為商業(yè)，建筑高度為15.90～20.90m；C號樓一至三層為商業(yè)，四層為影院，建筑高度27.20m，結構形式均為框架結構。

2 地質(zhì)條件

擬建場地原地形為低山山地，所處地貌類型為剝蝕低緩山地。場地相對較為平坦，標高為55.20～63.90m。在勘察深度范圍內(nèi)，地基土自上而下劃分為4層詳見表1。其中②粘土fak= 240kPa；③粘土fak=160kPa；④強風化玄武巖fak=400kPa。

3 基礎方案的選擇

勘察報告建議A號樓和B號樓采用天然地基上淺基礎，以第③層粘土為基礎持力層；C號樓采用樁基礎，樁型可選擇采用旋挖樁或高強預應力管樁及預制方樁，以第③層粘土或第④層強風化細碧玄武巖為樁基持力層。

表1 工程地質(zhì)情況

3.1 框架結構常用的基礎形式

獨立柱基適用于柱荷載不大，地基承載力較好時，具有經(jīng)濟、施工方便的特點；當?shù)鼗休d力較低，采用獨立柱基底面積不足以承受上部結構荷載時，可以采用單向的柱下條基或柱下交叉條基；當?shù)鼗休d力低，而上部結構荷載又較大，特別是又有地下室時采用筏板基礎。對框架結構的建筑物，基礎形式一般按照獨立柱基—柱下條基-筏板基礎這樣的順序選擇，盡可能采用前面比較經(jīng)濟的基礎形式，只有當前面一種基礎無法滿足地基承載力計算時才考慮采用后面一種基礎形式。樁基礎適用于采用天然地基無法承受上部結構荷載的情況，具有承載力高、沉降小、結構布置靈活等優(yōu)點。

3.2 基礎形式的確定

A號樓和B號樓采用獨立柱基，本文主要討論C號基礎的選擇。C號樓主要柱網(wǎng)尺寸為7.8m×8.4m，局部大柱網(wǎng)為8.0m×10.8m，沿商業(yè)綜合體一側懸挑4.0m寬走廊的平面不規(guī)則的L型高層商業(yè)建筑。根據(jù)SAWTE計算結果顯示未懸挑走廊的邊柱柱底標準組合內(nèi)力大約在4000～4500kN，中柱柱底標準組合內(nèi)力大約在5000～6500kN，懸挑走廊的邊柱柱底標準組合內(nèi)力大約在6800～7800kN。C號樓正負零標高為54.100m，假定基礎埋深為2.0m，根據(jù)建筑地基基礎規(guī)范和勘察報告修正后的地基承載力特征值fa=187kPa。假如采用獨立柱基方案，單個獨立柱基面積大約在25～50m2，基礎的尺寸太大了，不合適。假如按照地勘報告采用樁基礎方案，持力層選擇③層粘土時樁端端阻標準值900～1100kPa，樁側側阻標準為30kPa，單樁承載力較低；選擇④層強風化細碧玄武巖時，又因為③層粘土太厚導致樁身太長，不經(jīng)濟并且采用樁基礎方案必須按規(guī)范進行基樁承載力和樁身完整性檢測，將極大的影響建設方要求施工單位在25d完成基礎到三層樓面的施工工期目標。C號樓上部荷載較大，地基承載力較低，采用獨立柱基又不能滿足要求并且無地下室，適用柱下條基。根據(jù)獨立柱基方案可知基礎面積比較大，單向的柱下不能承受上部結構荷載，采用柱下交叉條基。

4 柱下條基設計

4.1 節(jié)點荷載分配計算

柱下十字交叉條形基礎是柱網(wǎng)下縱橫兩組條形基礎組成的一種空間結構，在基礎的交叉點處承受柱網(wǎng)傳下的荷載。十字交叉柱下條形基礎的計算主要是解決節(jié)點荷載沿縱橫兩個方向的分配，分配時需要滿足節(jié)點處的靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件。采用文克勒地基模型并忽略相鄰荷載的相互影響，可以得到交叉節(jié)點的荷載分配公式：

式中：Fik，F(xiàn)ix，F(xiàn)iy分別為柱豎向荷載及其在x，y方向分配的荷載；bx，by分別為x，y方向基礎的底面寬度；μix，μiy分別為Fik在x，y方向的分配系數(shù)；Zx，Zy是λxx0，λyy0的函數(shù)，λx，λy分別是基礎梁x，y方向的柔度特征值，x0，y0是自節(jié)點起算的x，y方向地基梁的外伸長度；Sx，Sy分別為x，y方向基礎梁的特征長度。

式中：k為地基的基床系數(shù)；E為基礎材料的彈性模量；Ix，Iy分別為x，y方向基礎梁的慣性矩。將公式（4）代入公式（3）可得：

在初步確定底面尺寸時可以假定Ix=Iy和bx=by，則公式（5）可以簡化為：

十字交叉條形基礎的交叉節(jié)點分為角柱、邊柱和內(nèi)柱節(jié)點三類。對于內(nèi)柱節(jié)點，Zx=Zy=1，μix=μiy=0.5；對于角柱節(jié)點，假定x，y方向地基梁的外伸長度相等，則Zx=Zy，μix=μiy=0.5。x方向邊柱節(jié)點，視x方向基礎梁為無限長梁，Zx=1，假如最小柱距為8m（C號棟柱網(wǎng)7.8m×8.4m近似取8.0m），則y方向基礎梁的外伸長度為y0=8/4=2m，根據(jù)柱間距不小于1.8/λ的要求，可取λy=1.8/8=0.225m-1，則可以得到λyy0=0.225×2=0.45，可知Zy=1.748，則μix=0.636，μiy=0.364；y方向邊柱節(jié)點μix= 0.364，μiy=0.636。

4.2 柱下交叉條基計算步驟

（1）按柱距的1/4～1/8假定基礎梁的高度h，并按框架柱截面假定基礎梁的寬度b。

（2）計算每一軸線的基礎梁的長度L，該長度為此軸線兩端柱間的距離加兩端端部第一跨長度的0.25倍。

（3）根據(jù)SATWE計算得到的每個柱柱底標準組合內(nèi)力，并按節(jié)點荷載分配計算方法計算出x方向每一軸線的總荷載Fix和y方向每一軸線的總荷載Fiy。

（5）根據(jù)基礎底板的寬度B和基礎梁的寬度b，確定翼板的端部和根部的厚度。

（6）將上述1～5步定義好的柱下條基輸入JCCAD中進行基礎計算。

（7）根據(jù)第6步的計算結果判斷基礎截面是否合理。根據(jù)地基反力的大小判斷柱下條基底板的寬度是否合適？通過基礎梁和翼板的配筋判斷基礎梁的截面和翼板的厚度是否合適？假如合適的話結束計算，不合適的話修改截面尺寸重新計算。

基礎尺寸的選擇，不但要滿足承載力的要求，更重要的是要保證基礎的內(nèi)力和配筋要合理。

4.3 C號樓柱下條基設計

C號樓柱主要截面尺寸為700×700、800×800以及1000× 1000，根據(jù)上述方法地基梁主要截面尺寸采用 800X900、1000×12000以及1200×1600，底板截面寬度采用3400、4000、4800、5400、6000以及6400，翼板端部厚度采用200、300根部厚度采用400、600以及900。將基礎尺寸輸入JCCAD中按彈性地基梁進行計算。結果表明在SATWE標準組合1.0X恒+ 1.0X活總豎向荷載（含基礎自重）為339671kN，基底反力均值為179kPa，小于修正后的地基承載力187kPa。

5 結束語

（1）基礎方案的選擇必須根據(jù)地質(zhì)條件、上部結構的荷載與剛度、各種基礎的適用條件、施工工期等因素綜合考慮才能確定出經(jīng)濟、可靠并符合實際的方案。

（2）柱下條基適用于上部荷載較大，地基承載力較低，又無地下室的多高層框架結構，具有剛度大、調(diào)整不均勻沉降能力強的優(yōu)點。

[1]《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）[S].

[2]華南理工大學，浙江大學，湖南大學.基礎工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]秦植海，李根生，張維圈.柱下鋼筋混凝土十字交叉基礎節(jié)點力的分配[J].力學與實踐，1999，21（5）：22～24.

TU471.1+2

A

2095-2066（2016）05-0145-02

2016-1-20

龍業(yè)平（1984-），男，工程師，碩士，主要從事結構設計工作。