3.基础设计专题讲座(半天)解析

地基基础设计及程序处理方法中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部张志远2概述3地基基础设计内容荷载上部结构刚度局部承压沉降计算承载力计算地质资料基础内力、配筋计算4基础设计的有关规范•《建筑地基基础设计规范》(50007-2002)•《建筑结构荷载荷载》(GB50009-2001)•《混凝土结构设计规范》(50010-2002)•《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)•《人民防空地下室设计规范》(GB50038-94)•《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)•《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)•《高层建筑箱形与筏形基础技术规程》(JGJ6-99)•上海《地基基础设计规范》等。5１.荷载6１.1荷载组合类别和作用•三种组合–基本组合•基础设计–标准组合(短期荷载)•用于承载力设计•裂缝计算–准永久组合•沉降计算•其它荷载组合–人防荷载7１.2基本组合81.2.1基本组合的形式•用于基础的内力、配筋等计算•三种组合形式SSSSn2iQikciQik1Q1QGkGn1iQikciQiGkGSSSwkwwEvkEvEhkEhGEGSSSSS91.2.2分项系数取值（规范）•γG取值为:–对结构有利取1.0–抗浮计算取0.9–永久荷载控制的组合取1.35–其它取1.2•可变荷载分项系数取值为：–一般取1.4–标准值4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3101.2.3活荷载折减•设计楼面梁时按(4.1.2-1)条,根据楼面梁的从属面积或建筑楼板用途等因素确定的折减系数。–PM导荷载时按选择自动生成并传给基础程序•设计墙、柱和基础时的折减系数。–通常输入按楼层折减系数–有裙房时的处理111.3标准组合(也称短期荷载)•用于地基承载力计算和裂缝宽度计算SSSSn2iQikcik1QGkwkwEvkEhEvEhkGESSSSS121.3.1程序对标准组合的处理•标准组合相当于将基本组合公式中荷载分项系数设为1.0•在抗震规范中没有给出标准组合公式，程序按荷载规范的原则推导的。否则标准组合中竖向地震效应的贡献将大于其在基本组合中的贡献，这违背与荷载规范的原则。•因此增加竖向地震效应的组合值系数13141.4准永久组合•用于基础沉降计算•组合中不含地震和风SSSn1iQikqiGk151.5人防荷载•梁元法采用顶板等效静荷载的数值按比例作用在柱、墙上，然后进行基础设计。–由于顶板等效静荷载的数值比底板的大，在计算板的内力和配筋时不必计算底板等效静荷载。•板元法计算时要由用户输入顶板等效静荷载和底板等效静荷载，不平衡力桩或土承担。–注意：板面荷载与板底荷载左右的时间差16171.6荷载相关问题•当前组合，目标组合•TAT、SATWE“最大组合内力简图”与JC“目标组合”的差异•一层荷载作用点标高–上部结构柱、墙底内力作为基础设计的荷载（组成部分）18±0.0ＨＨ１19MNQ荷载作用点标高M’=M+Q*HH20一层上部结构荷载作用点标高影响：独基，桩承台；作用：剪力换算成弯矩H1H2GABCD211.7模拟施工过程•模拟施工荷载主要解决高层结构(尤其是框剪结构)中准确计算自重作用下的杆件(基础中主要是框架柱和剪力墙)内力问题•梁端位移–位移包括•本层以下柱墙荷载累计位移（无本层以上构件）•本层荷载产生的位移•本层以上荷载对产生的位移•各层相对位移会对荷载分布产生影响•目前模拟施工方法–对于基础一次加载和模拟施工荷载1相同–30层建筑D+L模拟施工荷载2与一次加载相差20%左右–模拟施工荷载2只能用于导算基础荷载–模拟施工荷载3可以用于上部结构计算也可用于基础计算22a一层加载b二层加载c三层加载模拟施工荷载123a一层结构b二层结构c三层结构模拟施工荷载1242529层框剪工程平面图26一次性加载27模拟施工荷载128模拟施工荷载229模拟施工荷载330一次性加载和模拟施工荷载1：N=2797031模拟施工荷载2(D+L):N=3264432模拟施工荷载3(D+L):N=2937333341.8荷载选用原则•不同计算模型导算的荷载总值相近，分布有差异–校核方法：选同工况“当前组合”比较荷载总值•基础型式：–独立基础（柱下独立基础和桩承台基础）•可以是非同工况荷载，尽量多的荷载组合。PK，TAT,SATWE,PMSAP–整体基础（柱下条形基础（基础梁）、筏板）•同工况荷载。PM,TAT,SATWE,PMSAP–墙下条形基础•可采用PM荷载,砖混荷载。•荷载参数按需要调整351.8.1地震作用•不考虑地震的天然地基及基础，参见抗震规范4.2.1条1砌体房屋2地基主要受力范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑1)一般单层厂房和单层空旷房屋2)不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋3)基础荷载与2)项相当的多层框架厂房3本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑361.9荷载参数的调整根据建筑用途修改可根据楼层数进行修改371.10吊车荷载问题•ＰＫ荷载•ＴＡＴ、ＳＡＴＷＥ荷载382.上部结构刚度•为什么要考虑上部结构刚度–规范要求–挖掘基础潜力•那些计算要考虑上部结构刚度–沉降计算–内力、配筋计算•考虑上部结构刚度对计算结果的影响•考虑上部结构刚度方法•倒楼盖模型的适用条件392.1考虑上部结构刚度的方法•上部结构的刚度对基础内力计算的影响–上部结构为刚性，基础在柱墙处的位移为同一平面（可倾斜）。–通过对上部结构刚度矩阵的凝聚得到传给基础的刚度–把上部结构等代成具有一定刚度的与基础在柱墙节点处位移协调的交叉梁系，该梁系具有与地基梁相同的位置，这时需要输入各网格间上部刚度相对与基础的比值40＋412.2倒楼盖模型的适用条件•参见《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)的8.3.2条–上部结构刚度较好–荷载分布较均匀–条形基础梁的高度不小于1/6柱距–计算结果边跨跨中及第一内支座的弯矩值要放大423局部承压计算•什么条件下需要进行局部承压计算•规范对那些部位有局部承压要求•局部承压计算方法•程序实现43444.地质资料输入及桩初设计•目的–沉降计算（所有基础）–承载力计算（桩基础）–反力计算（桩基础）•内容–土的重度、压缩模量、水头标高–各层土的物理参数(特定应力范围下的压缩模量，端阻系数，侧阻系数等)，水头标高.–计算承载力时需要持力层图的地基承载力特征值；454.1在JC程序中注意问题•标高统一，绝对高程和结构标高有换算关系–地质资料，基础底标高，一层荷载作用点标高必须在同一坐标系–为了方便输入地质资料增加了参数“建筑0.00相对的绝对标高”。程序自动换算绝对标高与相对标高•坐标系单位为m，孔点和结构平面有对应关系•各孔点土层要一致，以保证能够通过插值得到任意一点的土层信息。孔点的个别土层厚度可以为零。•土名称是代码，参数可改，可名称相同参数不同46也可以输入海拔高度47484.2单桩承载力试算•目的：–已知桩的截面及扩大头尺寸和指定孔点–给出各层图的承载力–按指定的桩长计算承载力49505、基础沉降计算515.1沉降计算特点•对结构的安全，建设成本影响大•离散性大，计算结果不准确，需要对计算结果修正（各地区的经验系数）•沉降计算的核心是分层总和法•不同性质的土需要用不同的方法计算•无桩大开挖基础考虑回弹再压缩•各种基础类型的沉降计算在后面分别介绍525.2基础沉降公式niiiiiiazazEps111cccc)(沉降计算公式回弹再压缩量计算niiiiisissazazEpss1110)('535.2.1压缩层深度取值•压缩层深度Zn有两种判断原则1：–按收敛原则判断：由计算深度向上取厚度为ΔZ的土层变形值。满足以下条件：niinss1''025.0表5.3.6ΔZb(m)b≤22b≤44b≤88bΔZ(m)0.30.60.81.0ΔZ=0.3(1+lnb)545.2.2压缩层深度取值简化公式•压缩层深度Zn有两种判断原则2：–当无相邻荷载影响，基础宽度在1-30m范围时，基础中点的地基变形计算深度可按下列简化公式计算•Zn=b(2.5-0.4lnb)555.2.3沉降经验系数s取值表5.3.5沉降计算经验系数s基底附加压力加权平均值Es(MPa)2.54.07.015.020.0Po≥fak1.41.31.00.40.2Po≤0.75fak1.11.00.70.40.2•地区沉降观测资料及经验确定•无地区经验时取下表的数值565.3独立基础沉降计算•可用弹性地基梁沉降计算菜单或桩基承台及独基沉降计算菜单•验算绝对沉降和相对沉降575.4墙下条基沉降计算•按柔性基础计算•验算沉降差585.5地梁沉降计算•弹性地基梁–按柔性基础计算–考虑相邻基础影响–考虑基础及上部刚度影响•方法：–常规方法计算沉降–计算各点的基于沉降的基床反力系数–用基于沉降的基床反力系数计算弹性地基梁的变形595.6筏板基础沉降计算（桩－梁）•按整体基础计算•带裙房结构分块计算，控制沉降差•桩－筏，桩－梁可以考虑后浇带•上部结构、基础、地基共同作用–梁元法沉降计算时考虑方法–板元法沉降计算时考虑方法•和内力计算一致•倒楼盖模型，文克尔模型，明德林模型，改进明德林模型605.6.1筏板基础沉降计算•优先采用缩小差异沉降的方法•分区域输入筏板进行沉降计算•按沉降完成的速度决定算法–修改土的压缩模量–调整配筋615.7桩承台沉降计算•桩承台–最终沉降的计算采用单向压缩分层总和法，不同方法的区别在于土附加应力的算法。•桩间距6d:可按实体深基础法。•明德林应力公式法626.承载力计算•荷载选取•地基承载力修正•是否地震作用•不同类型基础计算特点–独基、条基、桩承台、单桩–基础梁、筏板–桩筏)5.0d()3b(ffmdbaka＝636.1独基、条基和桩承台承载力计算•承载力计算决定基础底面尺寸•基础底面形心确定•土重计算646.２筏板承载力计算•筏板基础属于整体基础，验算整体承载力满足要求即可–P0fa,Pmax1.2fa–由于还有重心校核的要求，一般都会满足Pmin0–筏板基础深度修正系数•基底标高和室外地坪标高•覆土重–外墙内部按参数计算–外墙外部按室外地坪到筏板上表面计算（容重18）656.3基础梁地基承载力验算•按整体基础算•基础梁翼缘宽度与荷载相一致有利于荷载的传递•注意覆土标高•承载力修正深度按室外地坪到基础底标高计算667.基础内力、配筋计算•柱下独立基础•墙下条形基础•桩承台•基础梁•筏板677.１柱下独立基础设计687.１.1承载力验算详解•分为三种情况–无零应力区–单向偏心有零应力区–双向偏心有零应力区697.1.2允许零应力存在的情况•有零应力区–《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)4.2.4条规定：高宽比大于4的高层建筑，在地震荷载作用下基础底面不宜出现拉力；–其它建筑，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。–对于工业建筑，由于弯距相对于竖向力来说数值较大，一般允许基础底面存在零应力区。707.1.3无零应力区承载力验算•该情况相当于规范中的轴心受压或eb/6情况–eb/6等价于Pmin0–这时应该满足以下条件：afAGNP0afWyMyWxMxAGNP2.10minmax717.1.4单向偏心允许零应力存在的情况•规范给出了最大基底反力公式•可根据力平衡很容易得到各物理量之间的关系•要满足零应力区比例的要求Pmaxea3abFk＋GkkAA0afla2.13)G2(Fpkkmax727.1.5双向偏心允许零应力存在的情况•大部分文献都是通过表格来计算的，不利于电算的实现。计算精度也存在一定的问题。•另一种是采用数值计算的方法。0y)p(x,0y)p(x,cbyaxy)x,p令：如，＝（sdA)y,x(PNsyxdA)y,x(PMsxydA)y,x(PM7