文/高穎、周茂敬 青島膠州市建筑設(shè)計(jì)院有限公司 山東青島 226300
關(guān)于特殊情況下單獨(dú)柱下基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)探討
文/高穎、周茂敬青島膠州市建筑設(shè)計(jì)院有限公司山東青島226300
柱下獨(dú)立基礎(chǔ),是一種常見的基礎(chǔ)形式,平時(shí)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的時(shí)候,一般根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載,先計(jì)算出基礎(chǔ)的平面尺寸、然后再計(jì)算基礎(chǔ)的沖切高度和基礎(chǔ)底板的配筋。當(dāng)獨(dú)立基礎(chǔ)的偏心距大于b/6時(shí),就應(yīng)該考慮獨(dú)立基礎(chǔ)的頂部受彎問題,特別是單柱獨(dú)立基礎(chǔ)的頂部受彎問題。本文依據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集的設(shè)計(jì)成果和現(xiàn)行規(guī)范,對單柱獨(dú)立基礎(chǔ)的力學(xué)模型進(jìn)行分析,深入探討了單獨(dú)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的工作原理,并提出了單柱獨(dú)立基礎(chǔ)頂部配筋的計(jì)算方法。
單獨(dú)柱下基礎(chǔ);拉應(yīng)力;頂部配筋計(jì)算
柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)屬于擴(kuò)展基礎(chǔ),是目前鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)中廣泛采用的一種基礎(chǔ)形式。柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)一般分為單獨(dú)柱下基礎(chǔ)和雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)。為保證柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的雙向受力狀態(tài),單獨(dú)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)底平面一般宜設(shè)計(jì)為正方形,當(dāng)采用矩形平面時(shí),其長短邊的比一般不宜大于2。雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)基底平面一般宜取為矩形,當(dāng)長短邊的比大于2時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)成帶基礎(chǔ)梁的基礎(chǔ)。
對柱下天然地基上的獨(dú)立基礎(chǔ),一般主要計(jì)算內(nèi)容包括三個(gè)方面:滿足地基承載力要求所需要的基礎(chǔ)底面尺寸;滿足不發(fā)生沖切破壞所需要的基礎(chǔ)高度;滿足正截面抗彎要求所需要的基底受力鋼筋。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中柱下獨(dú)立基礎(chǔ)底面兩個(gè)方向的邊長比值有可能大于2,這時(shí)基礎(chǔ)接近于單向受力狀態(tài),柱與基礎(chǔ)交接處不存在受沖切的問題,僅僅需要對基礎(chǔ)進(jìn)行斜截面受剪承載力驗(yàn)算。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的平面尺寸、底板配筋和沖切承載力計(jì)算在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有詳細(xì)的計(jì)算規(guī)定,PKPM基礎(chǔ)CAD也是嚴(yán)格按照規(guī)范要求計(jì)算的,在這里就不做詳細(xì)介紹了。關(guān)于雙柱聯(lián)合基礎(chǔ),當(dāng)基礎(chǔ)承擔(dān)柱底彎矩時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)成帶基礎(chǔ)梁的基礎(chǔ)或基礎(chǔ)頂面配置抗彎鋼筋,此時(shí)基礎(chǔ)頂面宜設(shè)計(jì)成水平或同一坡度,不宜設(shè)計(jì)成臺階狀,有關(guān)內(nèi)容在《全國民用建筑工程技術(shù)措施2009-地基基礎(chǔ)》和圖集《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》11G101-3中有明確規(guī)定,在這里也不做詳細(xì)介紹了。
下面要探討的是關(guān)于獨(dú)立基礎(chǔ)偏心距大于b/6時(shí)的配筋計(jì)算問題。現(xiàn)行規(guī)范并沒有明確規(guī)定計(jì)算方法,PKPM→JCCAD也沒有對單獨(dú)柱基頂部進(jìn)行配筋計(jì)算。如果在一些特殊受力狀態(tài)中我們忽略了獨(dú)立基礎(chǔ)頂部的拉力,就可能造成結(jié)構(gòu)安全隱患。如:戶外獨(dú)立柱廣告牌基礎(chǔ)、重力很小、剪力和彎矩很大的基礎(chǔ)、部分高杯口基礎(chǔ)等。
首先應(yīng)判斷基礎(chǔ)頂面是否受拉,可按下公式驗(yàn)算:
(注:這里不考慮基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重(GK)
當(dāng)基礎(chǔ)頂面的拉力小于0.7ft時(shí)可以不用配置抗彎鋼筋,大于0.7ft時(shí)應(yīng)按計(jì)算配置抗彎鋼筋。
FK→上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力(KN);
A→基礎(chǔ)底面面積;
MK→作用于基礎(chǔ)底面的力矩(KN·M);
W→基礎(chǔ)底面的抵抗矩(M3);
ft→混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
如果判定獨(dú)立基礎(chǔ)上部受拉,矩形獨(dú)立基礎(chǔ)在FK和MK作用下可按以下簡便方法計(jì)算基礎(chǔ)頂面的鋼筋
注:P4≤GK/A
當(dāng)σΙ小于0.7ft時(shí)基礎(chǔ)頂可不設(shè)置鋼筋;當(dāng)σΙ大于0.7ft時(shí)基礎(chǔ)頂面應(yīng)按計(jì)算配置頂部抗彎鋼筋。
(注:頂部抗拉鋼筋可不考慮最小配筋率要求)
基礎(chǔ)頂部鋼筋可按下式計(jì)算
WI→I-I斷面的抵抗矩(mm3)
→鋼筋面積(mm2)
→鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)
→I-I斷面頂部最大拉應(yīng)力(N/mm2)
→基礎(chǔ)有效高度(mm)
F1、F2→三角形荷載形心處的合力
基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)的控制問題其本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定問題,應(yīng)該根據(jù)不同建筑結(jié)構(gòu)形式、不同基礎(chǔ)形式和不同荷載、地震作用效應(yīng)等加以區(qū)別對待。pmin<0的情況,屬于偏心距大于b/6時(shí)的一種特例,由于基礎(chǔ)和地基土之間不能承受拉力,當(dāng)明顯受拉時(shí),基礎(chǔ)底面將與地基土局部脫開。根據(jù)平衡原理,基底三角形分布反力的合力應(yīng)該與偏心荷載形成一對平衡力,其值大小相等,方向相反,這時(shí)應(yīng)該對按傳統(tǒng)方法計(jì)算的基底邊緣最大壓應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整,不可以簡單地利用 (Pmax+ Pmin)/2 作為計(jì)算基礎(chǔ)底板彎矩的依據(jù),必須考慮反向荷載的作用,重新計(jì)算基礎(chǔ)底板的彎矩,在實(shí)際工程中,我們應(yīng)盡量避免Pmin <0的情況出現(xiàn)。
某戶外獨(dú)立柱廣告牌傳給基礎(chǔ)的豎向力為FK=448KN,彎矩為MK=6878KN·m,不考慮地震作用,地基承載力特征值不低于150KPa,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式計(jì)算出基礎(chǔ)尺寸為8400mm×7000mm,基礎(chǔ)高度1200mm;底板配筋HRB300級¢16@100;混凝土采用C30;基礎(chǔ)埋深5000mm;基底反力:Pmax=190KN,Pmin=23.44KN.
基礎(chǔ)底面雖然沒有出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)是因?yàn)榛A(chǔ)自重太大的原因,并不能斷定基礎(chǔ)頂面始終處于受壓狀態(tài)。根據(jù)前述力學(xué)模型分析,基礎(chǔ)上部很可能已經(jīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力,如果僅計(jì)算基礎(chǔ)底面配筋,而忽略基礎(chǔ)頂面的拉應(yīng)力,可能會存在安全隱患。
計(jì)算演示如下:
應(yīng)按計(jì)算配置抗拉鋼筋,采用HRB335鋼筋
選用¢16@150鋼筋,另一方向配筋計(jì)算略。
MI→I-I斷面的彎矩
Pmax→基礎(chǔ)底面的最大反力
Pmin→基礎(chǔ)底面的最小反力
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念使我們特別重視獨(dú)立基礎(chǔ)的地基承載力、沖切和基礎(chǔ)底部的配筋計(jì)算,地基規(guī)范中僅給出偏心距e>b/6時(shí)Pkmax的計(jì)算公式,而忽略偏心距較大時(shí)基礎(chǔ)頂部的拉應(yīng)力計(jì)算,但這并不代表廣大工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)具體工程時(shí)也可以忽略。希望通過本文的分析,使廣大工程技術(shù)人員對獨(dú)立基礎(chǔ)的受力形式能有一個(gè)新的認(rèn)識。
本文提出單獨(dú)柱基頂部配置的抗拉鋼筋可不考慮最小配筋率要求,主要因?yàn)檫@類基礎(chǔ)的平面尺寸都比較大,基礎(chǔ)一般比較厚,重力在這里成為有利荷載,最大彎矩也是一種偶遇荷載,即使在地震力作用下基礎(chǔ)頂面的彎矩也不會超過基礎(chǔ)自重(G+F)產(chǎn)生的彎矩,回填土對基礎(chǔ)短柱的有利約束也沒有考慮。所以只要計(jì)算過程中沒有遺漏荷載,就不會發(fā)生少筋破壞。
[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010.中國建筑工業(yè)出版社.
[2]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011.中國建筑工業(yè)出版社.
[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010.中國建筑工業(yè)出版社.
[4]《全國民用建筑工程技術(shù)措施2009-地基基礎(chǔ)》.
[5]《戶外鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)立柱廣告牌》圖集.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.