高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計(jì)算與設(shè)計(jì)

1、第10章 高層建筑結(jié)構(gòu)根底計(jì)算與設(shè)計(jì)10.1 筏板根底計(jì)算與設(shè)計(jì)10.2 箱形根底計(jì)算與設(shè)計(jì)10.3 樁根底計(jì)算與設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容：筏板根底計(jì)算與設(shè)計(jì) 筏板根底的選用原那么： 1)在軟土地基上，用柱下條形根底或柱下十字交梁條形根底不能滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)變形的要求和地基承載力的要求時(shí)，可采用筏板根底。 2)當(dāng)建筑物的柱距較小而柱的荷載又很大，或柱的荷載相差較大將會(huì)產(chǎn)生較大的沉降差需要增加根底的整體剛度以調(diào)整不均勻沉降時(shí)，可采用筏板根底。 3)當(dāng)建筑物有地下室或大型貯液結(jié)構(gòu)(如水池、油庫(kù)等)，結(jié)合使用要求，筏板根底將是一種理想的根底形式。 4)風(fēng)荷載及地震荷載起主要作用的建筑物，要求根底要有足夠的剛度

2、和穩(wěn)定性時(shí)，可采用筏板根底。 筏形根底大多采用梁板式結(jié)構(gòu)的形式，當(dāng)柱網(wǎng)間距大時(shí)，可加肋梁使根底剛度增大。它又分成單向肋和雙向肋兩種形式 筏板根底的設(shè)計(jì)原那么 1.根底底面積確實(shí)定 基底反力應(yīng)滿足以下要求2.盡可能使荷載合力重心與筏形根底底面形心相重合。如果偏心較大，或者不能滿足式(10-2)第二式要求，為減少偏心距和擴(kuò)大基底面積，可將筏板外伸懸挑。3.如有軟弱下臥層，應(yīng)驗(yàn)算軟弱下臥層強(qiáng)度，驗(yàn)算方法與天然地基淺根底相同。根底的沉降 根底的沉降應(yīng)小于建筑物的允許沉降值，可按分層總和法或按?地基根底標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定的方法計(jì)算。如果根底埋置較深，應(yīng)適當(dāng)考慮由于基坑開(kāi)挖所引起的回彈變形。當(dāng)預(yù)估沉降量大于l20

3、mm時(shí)，宜增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的剛度。 筏板根底的構(gòu)造 1.筏板根底板厚度 等厚筏板根底板厚度一般可取200mm400mm且板厚與計(jì)算區(qū)段的最小跨度比不宜小于120，由抗沖切強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算確定。有懸臂筏形根底，可做成坡度，但邊端厚度不小于200mm。筏板根底懸挑墻外的長(zhǎng)度，橫向不宜大于1000mm，縱向不宜大于600mm。如果采用不埋式筏板根底，四周必須設(shè)置連梁。2.筏板根底配筋筏板根底配筋由計(jì)算確定，按雙向配筋，并考慮下述原那么： (1)平板式筏板根底按上板帶和跨中板帶分別計(jì)算配筋，以柱上板帶的正彎矩計(jì)算下筋，用跨中板帶的負(fù)彎矩計(jì)算上筋，用柱上和跨中板帶正彎矩的平均值計(jì)算跨中板帶的下筋。 (2)

4、肋梁式筏板根底在用四邊嵌固雙向板計(jì)算跨中和支座彎矩時(shí)，應(yīng)適當(dāng)予以折減。對(duì)肋梁取柱上板帶寬度等于柱距，按T形梁計(jì)算，肋板也應(yīng)適當(dāng)?shù)靥舫鰈613柱距。 配筋除滿足上述計(jì)算要求，縱橫向支座配筋尚應(yīng)有配筋連通，跨中鋼筋按實(shí)際配筋全部連通。 (3)墻下筏板根底適用于設(shè)有人工墊層的軟弱地基及具有硬殼層的比較均勻的軟土地基上，建造6層及6層以下橫墻較密集的民用建筑。墻下筏板根底一般為等厚度的鋼筋混凝土平板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)可采用C30，對(duì)于地下水位以下的地下室筏板根底，必需考慮混凝土的抗?jié)B等級(jí)，并進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算。筏板根底墊層厚度一般為100mm。 筏板根底配筋除符合計(jì)算要求外，縱橫方向支座鋼筋尚應(yīng)分別有、配筋

5、率連通，跨中鋼筋按實(shí)際配筋率全部連通。底板受力鋼筋的最小直徑不宜小于8mm。當(dāng)有墊層時(shí)，鋼筋的保護(hù)層厚度不宜小于35mm。筏板根底內(nèi)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法 采用剛性法時(shí)，根底底面的地基凈反力可按下式計(jì)算 采用剛性法計(jì)算時(shí)，在算出基底地基凈反力后，常使用倒樓蓋法和剛性板條法計(jì)算筏板根底的內(nèi)力。 1.倒樓蓋法 倒樓蓋法計(jì)算根底內(nèi)力的步驟是將筏形根底作為樓蓋，地基凈反力作為荷載，底板按連續(xù)單向板或雙向板計(jì)算。采用倒樓蓋法計(jì)算根底內(nèi)力時(shí)，在兩端第一、二開(kāi)間內(nèi)，應(yīng)按計(jì)算增加1020的配筋量且上下均勻配置。2.剛性板條法 框架體系下的筏形根底也可按剛性板條法計(jì)算筏板內(nèi)力。其計(jì)算步驟如下：先將筏板根底在x，y方向從

6、跨中到跨中劃分成假設(shè)干條帶，如圖10-4所示，而后取出每一條帶進(jìn)行分析。設(shè)某條帶的寬度為b，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，條帶內(nèi)柱的總荷載為條帶內(nèi)地基凈反力平均值為 ，計(jì)算兩者的平均值 為 筏板根底的剛性板條劃分圖 調(diào)整基底平均凈反力，調(diào)整值為計(jì)算柱荷載的修正系數(shù) ,并按修正系數(shù)調(diào)整柱荷載 最后采用調(diào)整后柱荷載及基底凈反力，按獨(dú)立的柱下條形根底計(jì)算根底內(nèi)力。 剛性板條法計(jì)算實(shí)例 【例】 筏形根底平面尺寸為，厚，柱距和柱荷載如圖10-5所示，試計(jì)算根底內(nèi)力。圖10-5 【例】圖將筏形根底在Y軸方向從跨中到跨中劃分三條板帶AGHF、GIJH和ICDJ，分別計(jì)算其內(nèi)力。 第一步：求解基底凈反力由式(10-3)，不計(jì)算根

7、底自重G得各點(diǎn)凈反力見(jiàn)表10-2。 筏板根底設(shè)計(jì)算例 如一幢建造在非抗震區(qū)的9層辦公樓，層高為，上部采用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)布置如圖10-7所示，地質(zhì)勘查報(bào)告提供的地基剖面圖見(jiàn)表10-3，地基承載力特征值fa=130kPa(在2m深處)。采用平板式筏形根底，試確定筏形根底的埋深、底面積和板厚。 柱網(wǎng)與根底底板平面(尺寸：m) 箱形根底計(jì)算與設(shè)計(jì) 箱形根底是高層建筑中常用的根底型式之一，它由鋼筋混凝土頂、底板和內(nèi)外縱向橫墻組成的具有相當(dāng)大剛度的空間結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖10-8)。空間局部可結(jié)合建筑使用功能設(shè)計(jì)成地下室。設(shè)計(jì)要求 箱形根底上部結(jié)構(gòu)多為鋼筋混凝士結(jié)構(gòu)，如框架、剪力墻或框剪結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)自重很大，

8、由于建筑物很高，風(fēng)荷載及地震荷載較一般建筑物大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)考慮地基的容許承載力之外，還要考慮建筑物的允許變形及傾斜要求，以及地下水對(duì)根底的影響(如水的浮力、側(cè)壁水壓力、水的侵蝕性、施工時(shí)的排水等問(wèn)題)。為此在擬建的建筑物場(chǎng)地內(nèi)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探工作，查明該場(chǎng)地內(nèi)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料。 箱形根底埋深及構(gòu)造要求 1.箱形根底埋深 箱形根底的埋置深度除應(yīng)滿足一般根底埋置深度有關(guān)規(guī)定外，對(duì)于作為高層建筑或重型建筑物的根底，根底埋置深度尚應(yīng)滿足抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性要求，并綜合考慮箱基使用功能(如作為人防、抗爆、防輻射等)要求來(lái)確定。箱形根底的埋置深度一般取高層建筑物總高度的l8112，或

9、箱形根底長(zhǎng)度的116118，并不小于3m，且不宜小于3m,在地震區(qū)埋深不宜小于高層建筑物總高度的l15。為確定合理的埋深應(yīng)進(jìn)行抗傾覆等穩(wěn)定性驗(yàn)算。箱形根底的自重不宜小于上部結(jié)構(gòu)物重力的l615。 箱形根底的埋置深度比一般根底大得多，既有利于對(duì)地基承載力的提高，挖去的土方重力遠(yuǎn)比箱形根底重，相應(yīng)的基底附加應(yīng)力值會(huì)得到減小。因此，箱形根底是一種理想的補(bǔ)償根底。采用箱形根底不但可以提高地基土的承載力，而且在同樣的上部結(jié)構(gòu)荷載的情況下，根底的沉降要比其他類型天然地基的根底小。 箱形根底的構(gòu)造要求 預(yù)制長(zhǎng)柱與箱形根底的連接 箱形根底基底反力 箱形根底的地基驗(yàn)算 箱形根底面積大、埋置深、剛度大，地基受力相

10、對(duì)趨于均勻，有較高的承載能力。箱形根底埋置較深，與地基土及回填土結(jié)合起來(lái)，能較好地發(fā)揮根底與周?chē)馏w的共同作用，穩(wěn)定性也較好。但由于上部結(jié)構(gòu)荷載大，因此沉降總是存在的。在風(fēng)荷載比較大以及地震地區(qū)，不僅要考慮強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定等問(wèn)題，還要考慮整體傾斜問(wèn)題。造成箱形根底整體傾斜的因素很多，但主要還是地基沉降不均勻所致。1.箱形根底的地基承載力驗(yàn)算 a.非地震區(qū)箱基地基承載力驗(yàn)算 箱形根底地基承載力要滿足以下條件箱形根底考慮地下水浮力之后，基底壓力應(yīng)滿足下式b.地震區(qū)箱形根底地基承載力 地震區(qū)箱形根底的地基承載力、荷載組合均要按抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行計(jì)算。除滿足非地震區(qū)的有關(guān)計(jì)算公式外，基底最大壓力還

11、要滿足下式2.箱形根底地基變形驗(yàn)算 箱形根底底面積大，荷載也大，地基土被壓縮的土層也深，應(yīng)力擴(kuò)散的范圍大。因此，箱形根底地基的變形對(duì)周?chē)ㄖ锉厝灰a(chǎn)生影響。反之，周?chē)ㄖ镙^大的荷載，也會(huì)對(duì)箱形根底的沉降產(chǎn)生影響。假設(shè)地基土質(zhì)好、沉降較小，地基變形穩(wěn)定也較快，對(duì)相鄰建筑物的影響也較小。假設(shè)地基較弱，沉降較大，地基變形持續(xù)的時(shí)間將較長(zhǎng)，地基變形的穩(wěn)定將是緩慢的。 目前，計(jì)算較大埋深的箱形及筏形根底的沉降主要有三種方法，即?地基根底標(biāo)準(zhǔn)?推薦的分層總和法；?箱形與筏形根底標(biāo)準(zhǔn)?推薦的壓縮模量法；?箱形與筏形根底標(biāo)準(zhǔn)?推薦的變形模量法。 a.?地基根底標(biāo)準(zhǔn)?推薦的分層總和法 箱形根底的沉降計(jì)算現(xiàn)在

12、仍采用分層總和法。但由于箱形根底具有荷載大、根底底面積大、埋置深度大、地基壓縮層影響范圍大等特點(diǎn)，因此在計(jì)算總沉降量時(shí)，與一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)相比，略有差異。 b.?箱形與筏形根底標(biāo)準(zhǔn)?推薦的壓縮模量法 c.?箱形與筏形根底標(biāo)準(zhǔn)?推薦的變形模量法 當(dāng)采用土的變形模量計(jì)算箱形和筏形根底的最終沉降量s時(shí)，可按下式計(jì)算進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)，沉降計(jì)算深度Zn，應(yīng)按下式計(jì)算3.箱形根底整體傾斜驗(yàn)算 確定橫向整體傾斜允許值的主要依據(jù)是保證建筑物的穩(wěn)定性和正常使用，不造成人們心理恐慌，與此相關(guān)的主要因素是建筑物的高度H。和箱形根底的寬度b，在非地震區(qū)，橫向整體傾斜計(jì)算值口應(yīng)符合下式要求4.箱形根底穩(wěn)定驗(yàn)算 在風(fēng)

13、荷載很大的地區(qū)、地震區(qū)、地下水位較高的軟土地區(qū)、且箱形根底埋深不很大時(shí)，此時(shí)對(duì)箱基要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，要提高建筑物四周回填土的質(zhì)量以提高箱形根底的抗滑移能力，此外要滿足下式在軟土地基，抗滑移能力按下式計(jì)算 箱形根底內(nèi)力計(jì)算方法1.箱形根底荷載計(jì)算箱形根底埋藏于地下，承受各種荷載(見(jiàn)圖10-14)，這些荷載主要有： 1)地面堆載產(chǎn)生的側(cè)壓力為圖10-14 箱形根底荷載圖2.箱形根底內(nèi)力計(jì)算 箱形根底在上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載、地基反力及箱形根底四周土的側(cè)壓力共同作用下，將發(fā)生彎曲，這種彎曲稱為整體彎曲。頂板在荷載作用下也發(fā)生彎曲，這種彎曲稱為局部彎曲。底板在地基反力作用下也發(fā)生局部彎曲。因此在設(shè)計(jì)箱形根

14、底時(shí)，必須按結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，分別分析箱形根底的整體彎曲和局部彎曲所產(chǎn)生的內(nèi)力，然后將配筋量疊加。 箱形根底內(nèi)力分析，應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剛度大小采用不同的計(jì)算方法。由于箱形根底造價(jià)昂貴，施工復(fù)雜，因而主要用于高層建筑，其上部結(jié)構(gòu)大致可分為框架、剪力墻、框剪及框筒四種結(jié)構(gòu)類型。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)情況，可采用以下兩種方案計(jì)算箱形根底內(nèi)力。 a.上部結(jié)構(gòu)為剪力墻、框架一剪力墻體系 當(dāng)?shù)鼗鶋嚎s層深度范圍內(nèi)的土層在豎向和水平方向較均勻，且上部結(jié)構(gòu)平面、立面布置較為規(guī)那么的剪力墻、框架一剪力墻體系時(shí)，由于上部結(jié)構(gòu)的剛度相當(dāng)大，以至于箱基的整體彎曲小到可以忽略的程度，箱形根底的頂、底板可僅按局部彎曲計(jì)算，即頂板按實(shí)際荷

15、載、底板按均布基底反力作用的周邊固定雙向連續(xù)板分析。考慮到整體彎曲可能的影響，鋼筋配置量除符合計(jì)算要求外，縱橫向支座鋼筋尚應(yīng)分別有和配筋率連通配置，跨中鋼筋按實(shí)際配筋率全部連通。 【例】 有一箱形根底，如下圖，上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的活荷載為37kNm2(不包括頂板活荷載)，上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的恒荷載為42kNm2(不包括頂板及內(nèi)外墻體的自重)。頂板活荷載為20kNm2，地面堆載為20kNm2。頂板厚度為30cm，底板厚為50cm。地下水在處，土的重度y=18kNm3。試按局部彎曲計(jì)算頂板、底板和內(nèi)外墻的內(nèi)力。【解】 頂、底板按雙向板計(jì)算，內(nèi)、外墻按連續(xù)梁計(jì)算?；钶d分項(xiàng)系數(shù)取，恒載分項(xiàng)系數(shù)取。第一步：頂板計(jì)算

16、頂板荷載：活載P=1.320kNm2=26kNm2 恒載q=1.20.325kNm2=9kNm2 Pj=P+q=35kNm2頂板為兩列雙向板，可按圖內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行。=lylx=9，由混凝土結(jié)構(gòu)雙向板內(nèi)力計(jì)算表可查得ix、iy、xix等值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10-12、表10-13。 b.上部結(jié)構(gòu)為框架體系 上部結(jié)構(gòu)為純框架結(jié)構(gòu)時(shí)，剛度較小，此時(shí)箱形根底在土壓力、水壓力及上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載共同作用下，將發(fā)生整體彎曲。因此，箱基的內(nèi)力應(yīng)同時(shí)考慮整體彎曲和局部彎曲作用。在計(jì)算整體彎曲產(chǎn)生的彎矩時(shí)，將上部結(jié)構(gòu)的剛度折算成等效抗彎剛度，然后將整體彎曲產(chǎn)生的彎矩按根底剛度占總剛度的比例分配到根底?；追戳蓞?/p>

17、照基底反力系數(shù)法或其他有效方法確定。由局部彎曲產(chǎn)生的彎矩應(yīng)乘以的折減系數(shù)，并疊加到整體彎曲的彎矩中去 。箱形根底構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算1.頂板與底板計(jì)算箱形根底頂板、底板厚度除根據(jù)荷載與跨度大小按正截面抗彎強(qiáng)度確定外，其斜截面抗剪強(qiáng)度應(yīng)符合下式要求樁根底計(jì)算與設(shè)計(jì) 確定建筑物地基根底方案時(shí)，從平安、合理、經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先選擇天然地基淺根底。當(dāng)?shù)鼗鶞\層土質(zhì)軟弱，選擇天然地基淺根底不滿足地基強(qiáng)度及變形要求時(shí)；或采用人工加固處理地基不經(jīng)濟(jì)時(shí)；或是高層建筑根底、重型設(shè)備根底時(shí)；可采用地基根底方案中的天然地基深根底方案。樁根底就是天然地基深根底方案之一。 本章主要采用?建筑樁根底技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?(JGJ941994

18、)，以下簡(jiǎn)稱為?樁基標(biāo)準(zhǔn)?。本章對(duì)?地基根底標(biāo)準(zhǔn)?中的樁根底內(nèi)容加以簡(jiǎn)單的介紹。 樁的分類 單樁豎向承載力確實(shí)定1.單樁豎向承載力的概念及確定原那么 以下采用?樁基標(biāo)準(zhǔn)?，介紹單樁豎向承載力。 a.單樁在豎向荷載作用下的破壞形式 單樁在豎向荷載作用下有兩種破壞形式：一種是樁身材料發(fā)生破壞；另一種是地基土發(fā)生破壞。 1)樁身材料發(fā)生破壞：當(dāng)樁身較長(zhǎng)，樁端支撐于很堅(jiān)硬的持力層上，而樁側(cè)土又十分軟弱對(duì)樁身沒(méi)有約束作用，此時(shí)樁是典型的端承樁，樁身像一根細(xì)長(zhǎng)的受壓柱，可能突然發(fā)生縱向彎曲，失去穩(wěn)定而破壞。 2)地基土發(fā)生破壞：當(dāng)樁穿越軟弱土層，支撐在硬持力層土層，其地基破壞類似于淺根底下地基的整體剪切破壞。如果樁端持力層為中強(qiáng)度土或軟弱土?xí)r，在豎向荷載作用下的樁可能出現(xiàn)刺入破壞形式。 b.單樁的豎向極限承載力的概念 由于樁的承載力條件不同，樁的承載力可分為豎向承載力(豎向抗壓承載力和抗拔承載力)及水平承載力兩種。 c.單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值是用以表示設(shè)計(jì)過(guò)程中相應(yīng)樁基所采用的單樁豎向極限承載力的根本代表值。該代表值是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法加以處理，具有一定概率的最大荷載值。2.按樁身材料強(qiáng)度確定單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值按樁身材料強(qiáng)度確定單樁豎向承載力時(shí)，是將處于土中的樁近似看成兩端