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钢筋混凝土独基加防水板基础的设计示例
RSS 打印 复制链接 发布时间:2018-05-09 09:50:07

 [摘 要] 介绍了混凝土钢筋混凝土独基加防水板基础的受力特点,计算原则,构造要求等,运用实际工程加以说明。 

  [关键词] 独立基础 防水板 抗浮设计    

  1、受力特点 

  独基加防水板基础是近年来伴随基础设计与施工发展而形成的一种新的基础形式,由于其传力简单、明确及费用较低,因此在工程中应用相当普遍。其特点如下: 

 ?。?)在独基加防水板基础中,防水板一般只用来抵抗水浮力,不考虑防水板的地基承载能力。独立基础承担全部结构重量并考虑水浮力的影响。 

 ?。?)作用在防水板上的荷载有地下水浮力qw,防水板自重qs及其上建筑做法重量qa,在建筑物使用过程中由于地下水位变化,作用在防水板底面的水浮力也在不断改变,根据防水板所承担的水浮力的大小,可将独立柱基加防水板基础分为以下两种不同情况:1)当qw≤qs+qa时(注意:此处的qw,qs和qa均为荷载效应基本组合时的设计值,即水浮力起控制作用时的荷载设计值,而不是荷载标准值),建筑物的重量将全部由独立基础传给地基;2)当qw>qs+qa时,独立基础底面的部分地基反力转移至防水板,并以水浮力的形式直接作用在防水板底面,这种地基反力的转移对独立基础的底部弯矩及剪力有加大的作用,并且随水浮力的加大而增加。 

 ?。?)在独基加防水板基础中,防水板是一种随荷载情况变化而变换支承情况的复杂板类构件,当qw≤qs+qa时,防水板及其上部重量直接传给地基土,独立基础对其不起支承作用;当qw>qs+qa时,防水板在水浮力的作用下,将净水浮力(qw-(qs+qa))传给独立基础,并加大了独立基础的弯矩数值。 

  2、计算原则 

  在独基加防水板基础中,独立基础及防水板一般可单独计算。 

  2.1防水板计算 

  1.支承条件:防水板可简化成四角支承在独立基础上的复杂受力双向板(支承边长度与独基尺寸有关)。 

  2.设计荷载:(1)重力荷载,一般包括防水板自重、防水板上部的填土重量、建筑地面重量、地下室地面的固定设备重量等;(2)活荷载,一般包括地下室地面的活荷载、地下室地面的非固定设备重量等;(3)水浮力,可按抗浮设计水位确定。 

  3.荷载分项系数:当地下水水位变化剧烈时,水浮力荷载分项系数按可变荷载分项系数确定,取1.4;反之按永久荷载分项系数确定,取1.35。注意防水板计算时,应根据重力荷载效应对防水板的有利或不利情况,合理取用永久荷载的分项系数,当防水板由水浮力效应控制时应取1.0。 

  4.防水板应采用相关程序按复杂楼板计算,也可按无梁楼盖双向板计算。 

  5)无梁楼盖双向板计算的经验系数法 

 ?。?)确定防水板柱下板带及跨中板带的划分 

 ?。?)防水板柱下板带及跨中板带弯矩的确定 

  按经验系数法计算时,应先算出垂直荷载产生的板的总弯矩设计值,然后按表1确定柱下板带和跨中板带的弯矩设计值。x,y向的总弯矩设计值按下式计算: 

  式中,q为相应于荷载效应基本组合时,垂直荷载设计值;lx,ly分别为等代框架梁的计算跨度,即柱子中心线之间的距离;bce为独立基础在计算弯矩方向的有效宽度。 

  2.2独立基础的计算 

  合理考虑防水板水浮力的影响,是独立基础计算的关键。在结构设计中可采用包络设计的原则,按下列步骤计算。 

  1.qw≤qs+qa时,可直接按地基规范的相关规定进行计算,此部分的计算主要用于地基承载力的控制,相应的基础内力一般不起控制作用,仅可作为结构设计的比较计算。 

  注:1)在总弯矩M不变的条件下,必要时允许将柱上板带负弯矩的10%分配给跨中板带;2)数值为无悬挑板时的经验系数,有较小悬挑板时仍可采用,当悬挑较大且负弯矩大于边支座截面负弯矩时,须考虑悬臂弯矩对边支座及内跨的影响。 

  2.当qw>qs+qa时 

 ?。?)将防水板的支承反力(取最大水浮力计算),按四角支承的实际长度(也就是防水板与独立基础的交接线长度。当各独立基础平面尺寸相近或相差不大时,可近似取独立基础的底边总长度)转化为沿独立基础周边线性分布的等效线荷载qe及等效线弯矩me。 

  并按下列公式计算: 

  式中,qwj为相应于荷载效应基本组合时,防水板的水浮力扣除防水板自重及其上地面重量后的数值(kN/�O);ax,ay为独立基础在x,y向的底面边长(m);k为防水板的平均固端弯矩系数,可按表2取值;其中。 

  注:表中数据按有限元分析统计得出。 

 ?。?)根据矢量叠加原理,进行在普通均布荷载及周边线荷载共同作用下的独立基础计算,过程如下: 

  1)独立基础基底反力引起的内力计算,按地基规范的相关规定,进行普通均布荷载作用下独立基础的内力计算,注意此处均布荷载中应扣除防水板分担的水浮力。 

  2)防水板对独立基础的基底边缘反力引起的附加内力计算,根据结构力学原理,进行周边线荷载作用下独立基础的内力计算。 

  3)将两部分内力叠加,进行独立基础的各项设计计算。 

  3.取上述1和2的大值进行独立基础的包络设计。 

  3、构造要求 

  为实现结构设计构想,防水板下应设置软垫层,确保防水板不承?;虺械W钌倭康牡鼗戳?,软垫层应具有以下两方面的特点:(1)软垫层应具有一定的承载能力,至少应能承担防水板混凝土浇注时的重量及其施工荷载,并确保在混凝土达到设计强度前不致产生过大的压缩变形;(2)软垫层应具有一定的变形能力,避免防水板承担过大的地基反力,以保证防水板的受力状况和设计相符。 

  4、结构设计的相关问题 

 ?。?)软垫层设计中对聚苯板性能的控制问题是关系独立基础加防水板受力合理与否的关键问题。 

 ?。?)需要说明的是,结构设计中常有忽略防水板的水浮力对独立基础的影响,而只按独立基础基底反力引起的弯矩计算,其基底弯矩设计值偏小,不安全。当地下水位较高时,影响更为明显。 

 ?。?)采用软垫层后对地基承载力的深度修正影响问题。 

  5、设计建议 

 ?。?)建议在软垫层设计中,采取控制软垫层强度和变形的结构措施,如根据设计需要提出聚苯板的抗压强度和压缩模量指标(抗压强度一般取压缩量为试件总厚度的10%时的强度值)。 

 ?。?)软垫层厚度h可根据地基沉降数值s确定,且应满足h≥s。 

 ?。?)当地下水位较高(qw>qs+qa)时,应考虑防水板承担的水浮力对独立基础弯矩的增大作用,并可采用矢量叠加原理进行简单计算。 

 ?。?)应特别注意对独立基础计算埋深的修正。 

 ?。?)应注意独基加防水板基础与变厚度筏板基础的区别。 

 ?。?)当地下水位不高时,应尽量采用较小厚度的防水板,以控制防水板的配筋略大于防水板的构造配筋为宜。 

  6、特别说明 

  6.1独基加防水板基础暂未列入相关结构设计规范中,上述结构设计的原则和做法均为编者对实际工程的总结和体会,供读者在结构设计中参考。 

  6.2在可不考虑地下水对建筑物影响时,对防潮要求比较高的建筑,??刹捎枚懒⒒〖臃莱卑?,防潮板的位置(标高)可根据工程具体情况而定: 

 ?。?)当防潮板的位置在独立基础高度范围内(有利于建筑设置外防潮层,并容易达到满意的防潮效果)时,上述独立基础加防水板设计方法同样适用。 

 ?。?)当防潮板在地下室地面标高处时,防潮板变成为非结构构件,一般可不考虑其对独立基础的影响,但注意框架柱在防潮层标高处应留有与防潮层相连接的“胡子筋”。 

  6.3结构设计应采用抗浮设计水位,而不是防水设计水位。 

  6.4关于结构的抗浮设计 

  当抗浮设计水位较高时,结构的抗浮设计往往存在较大的困难,尤其是纯地下车库或地下室层数较多而地上层数很少时,问题更为严重。 

  抗浮设计常用的方法有:(1)自重平衡法:采用回填土、石或混凝土(或重度≥30kN/m3的钢渣混凝土)等手段,来平衡地下水浮力;(2)抗力平衡法:设置抗拔锚杆或抗拔桩,来消除或部分消除地下水浮力对结构的影响;(3)浮力消除法:采取疏、排水措施,使地下水位保持在预定的标高之下,减小或消除地下水对建筑(构筑)物的浮力,从而达到建筑(构筑)物抗浮的目的;(4)综合设计方法,即:根据工程需要采用上述两种或多种抗浮设计方法,采取综合处理措施,实现建筑(构筑)物的抗浮。 

  7、算例分析――某工程柱下独基加防水板基础设计 

  7.1工程概况 

  某办公楼,地下1层,地上5层,采用钢筋混凝土框架结构,轴网8m×8m,地下水位高出地下室地面1.8m,相应于荷载效应基本组合时,作用在基础顶面的柱底轴向压力值N=6480kN。由于柱荷载相对不是很大,且属于地下水位比较高的带地下室的多层建筑,因此适宜采用独基加防水板的设计:防水板及独立基础的混凝土强度等级均为C30,受力钢筋采用HRB400级,防水板下设聚苯板垫层,厚度50mm,强度不低于25kPa;基础及其以上填土的平均重度γ=20kN/m3。 

  7.2分析 

  1.独立基础和防水板的配筋可根据基础设计的实际情况统一考虑,当基础底面和防水板的底面位于同一标高时,可考虑将防水板钢筋通长布置,独立基础下配筋不足部分用短钢筋(附加钢筋)配足。 

  2.通过本例分析可以发现,在独基加防水板基础中,独立基础和防水板不一定同时由相同的荷载效应组合起控制作用,如:防水板常按水浮力控制的效应组合设计(当地下水变动幅度较大时,水浮力的荷载分项系数按可变荷载考虑;当地下水变动幅度较小时,水浮力的荷载分项系数按永久荷载考虑),独立基础则按由永久荷载效应控制的组合设计,两者采用不同的荷载效应设计值,而在独立柱基的设计中又离不开防水板传来的荷载,因此,在独基加防水板基础设计中,要严格分清荷载的不同效应组合是有困难的,同时从工程设计角度看也无必要。从工程设计实际出发,采用适当的包络设计方法,其结果相差不大,故可按各自最不利情况计算并简化设计,可按下列要求,实现不同组合内力之间的互换(近似计算): 

 ?。?)考虑荷载效应基本组合的内力设计值,可近似取考虑荷载效应标准组合内力设计值的1.3倍。 

 ?。?)考虑荷载效应标准组合的内力设计值,可近似取考虑荷载效应基本组合内力设计值的0.8倍。 

 ?。?)进行地基承载力验算,若取用上部结构考虑地震作用效应的柱底内力设计值时,应将其除以1.25的系数后,再按非抗震设计要求进行地基反力特征值的验算。 

 ?。?)进行地基承载力验算时,若取用上部结构计算的柱底内力设计值时,应将其除以1.30的系数后,再进行地基反力特征值的验算。 

 ?。?)基础设计时,可将地震作用的内力乘以0.8后,采用非地震作用的设计计算公式。 

  3.在本例的特定条件下,考虑与不考虑防水板对独立基础内力的影响,其计算弯矩的比为1801.5/1534.5=1.17(在独基变截面处为677.4/449.3=1.51),即计算结果相差17%(及51%),因此,当地下水位较高时,不考虑防水板对独立基础的影响是不合适的,也是不安全的。 

  参 考 文 献 

  [1]建筑地基基础设计规范GB50007-2002 

  [2]混凝土结构设计规范(GB50010-2002) 

  [3]建筑抗震设计规范(GB50011-2010) 

  [4]全国民用建筑工程设计技术措施(结构)■ 

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