柱下交叉條形基礎(chǔ)設(shè)計

龍業(yè)平（湖南省建筑設(shè)計院，湖南長沙410011）

柱下交叉條形基礎(chǔ)設(shè)計

龍業(yè)平（湖南省建筑設(shè)計院，湖南長沙410011）

結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)計方法。計算結(jié)果表明本工程采用柱下交叉條形基礎(chǔ)是合適的。

地基基礎(chǔ)設(shè)計；獨立柱基；樁基、柱下交叉條基

引言

地基基礎(chǔ)設(shè)計是工程設(shè)計的重要組成部分，在建設(shè)投資中占的比重較大，建設(shè)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(chǔ)設(shè)計要比上部結(jié)構(gòu)設(shè)計要復(fù)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(chǔ)設(shè)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(chǔ)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(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)形式均為框架結(jié)構(gòu)。

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(chǔ)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(chǔ)，以第③層粘土為基礎(chǔ)持力層；C號樓采用樁基礎(chǔ)，樁型可選擇采用旋挖樁或高強預(yù)應(yīng)力管樁及預(yù)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(jié)構(gòu)常用的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)荷載又較大，特別是又有地下室時采用筏板基礎(chǔ)。對框架結(jié)構(gòu)的建筑物，基礎(chǔ)形式一般按照獨立柱基—柱下條基-筏板基礎(chǔ)這樣的順序選擇，盡可能采用前面比較經(jīng)濟的基礎(chǔ)形式，只有當前面一種基礎(chǔ)無法滿足地基承載力計算時才考慮采用后面一種基礎(chǔ)形式。樁基礎(chǔ)適用于采用天然地基無法承受上部結(jié)構(gòu)荷載的情況，具有承載力高、沉降小、結(jié)構(gòu)布置靈活等優(yōu)點。

3.2 基礎(chǔ)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(chǔ)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(cè)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(jié)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(chǔ)埋深為2.0m，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)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(chǔ)的尺寸太大了，不合適。假如按照地勘報告采用樁基礎(chǔ)方案，持力層選擇③層粘土時樁端端阻標準值900～1100kPa，樁側(cè)側(cè)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(dǎo)致樁身太長，不經(jīng)濟并且采用樁基礎(chǔ)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(shè)方要求施工單位在25d完成基礎(chǔ)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(chǔ)面積比較大，單向的柱下不能承受上部結(jié)構(gòu)荷載，采用柱下交叉條基。

4 柱下條基設(shè)計

4.1 節(jié)點荷載分配計算

柱下十字交叉條形基礎(chǔ)是柱網(wǎng)下縱橫兩組條形基礎(chǔ)組成的一種空間結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)梁的特征長度。

式中：k為地基的基床系數(shù)；E為基礎(chǔ)材料的彈性模量；Ix，Iy分別為x，y方向基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)梁的高度h，并按框架柱截面假定基礎(chǔ)梁的寬度b。

（2）計算每一軸線的基礎(chǔ)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(chǔ)底板的寬度B和基礎(chǔ)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(chǔ)計算。

（7）根據(jù)第6步的計算結(jié)果判斷基礎(chǔ)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(chǔ)梁和翼板的配筋判斷基礎(chǔ)梁的截面和翼板的厚度是否合適？假如合適的話結(jié)束計算，不合適的話修改截面尺寸重新計算。

基礎(chǔ)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(chǔ)的內(nèi)力和配筋要合理。

4.3 C號樓柱下條基設(shè)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(chǔ)尺寸輸入JCCAD中按彈性地基梁進行計算。結(jié)果表明在SATWE標準組合1.0X恒+ 1.0X活總豎向荷載（含基礎(chǔ)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(jié)束語

（1）基礎(chǔ)方案的選擇必須根據(jù)地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)的荷載與剛度、各種基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）[S].

[2]華南理工大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué).基礎(chǔ)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(chǔ)節(jié)點力的分配[J].力學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計工作。