柱下条形基础、筏形和箱形基础(湖南大学)

HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础1基础工程电子教案HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础23.柱下条形基础、筏形和箱形基础HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础33.1概述优点：埋深较大、可提高地基承载力、增大基础抗滑稳定性、并可利用补偿作用减小基底附加应力、减轻不均匀沉降、减小上部结构次应力、并可提供地下空间缺点：技术要求与造价较高、施工中需处理大基坑、深开挖等问题，且箱基的地下空间利用不灵活计算方法：•若按常规设计方法（仅满足静力平衡条件），误差较大；•应考虑上部结构－基础－地基的相互作用，采用适当方法计算•可仅考虑地基－基础的相互作用，采用弹性地基上的梁、板模型计算HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础43.2弹性地基上梁的分析基本假定变形协调：计算前后基底与地基不脱开静力平衡：基础在外荷和基底反力作用下满足静力平衡微分方程及其解答xw(a)ObpdxqxbpMM+dMV(b)qV+dV44440wwxdd44bkEI1234cossincossinxxweCxCxeCxCx0q文克尔(Winkler,1867)假定土体表面任一点压力强度p仅与该点竖向位移s成正比pksk—地基抗力系数或基床系数，kN/m3，可查表1-12及1-13(P.25)图３.１文克勒地基上梁的计算图示HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础53.2弹性地基上梁的分析梁的分类短梁（刚性梁）：lp/4;有限长梁：p/4lp无限长梁：lpl称为柔度指数，为无量纲数分类求解及其解答集中荷载下的无限长梁（式3-8）集中力偶作用下的无限长梁（式3-10）集中力作用下的半无限长梁（式3-11）力偶作用下的半无限长梁（式3-12）有限长梁（式3-14）短梁（刚性梁）HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础6翼板厚≥200mm，250mm时等厚；250mm变厚i≤1.3；柱荷较大时在柱位处加腋；板宽按地基承载力定肋梁高由计算确定，初估可取柱距的1/8～1/4，肋宽由截面抗剪确定两端宜伸出柱边，外伸悬臂长l0宜为边跨柱距的1/4肋梁纵向钢筋按计算确定，顶部纵筋通长配置，底部须有1/3以上通长配置。当肋梁腹板高≥450mm时，应设腰筋箍筋按计算确定，做成封闭式，并局部加密。底板受力筋按计算确定砼强度等级≥C20，垫层为C10，厚70~100mm3.3.1构造要求HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础73.3.2柱下条基的计算计算内容与方法基底尺寸确定：按构造定基长l，按地基承载力定基宽b，并力使基础形心与荷载重心重合，地基反力均匀分布翼板计算：按悬臂板考虑，由抗剪定其厚度，按抗弯配筋梁纵向内力分析：四种方法(1)静定分析法假定基底反力线性分布，求基底净反力pj，按静力平衡计算任意截面上的V及M并绘图，以此进行抗剪计算及配筋。没有考虑基础与上部结构的相互作用，整体弯曲下计算所得截面最大弯矩绝对值一般偏大，故只宜用于上部为柔性结构、且基础自身刚度较大的条基及联合基础HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础83.3.2柱下条基的计算前提：刚性梁，基底反力直线分布按设计要求拟定柱下条基尺寸和作用荷载；计算基底净反力分布；定计算简图：以柱端为不动铰支的多跨连续梁，基底净反力为荷载；用弯矩分配法计算弯矩分布，根据支座弯矩及荷载，以每跨为隔离体求出支座反力，并绘制剪力分布图；调整及消除支座的不平衡力；叠加逐次计算结果，求最终内力分布F1M1F2M2F3M3F4M4pjmaxbpjminbpjmaxbpjminb(a)(b)净反力分布图净反力分布图按连续梁求内力F1M1F2M2F3M3F4M4pjmaxbpjminbpjmaxbpjminb(a)(b)净反力分布图净反力分布图基底反力分布(2)倒梁法图３.２用倒梁法计算地基梁简图HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础93.3.2柱下条基的计算主要缺点：忽略了梁整体弯曲所产生的内力以及柱脚不均匀沉降引起上部结构的次应力，误差较大，且偏于不安全存在问题：计算所得反力Ri与原荷载Ni不相等；由于N与σ已知，故按静定结构也可求出内力，且结果与连续梁不一致；没有考虑地基土和梁的挠曲变形影响，导致软土偏于危险，好土过于安全适用对象：地基比较均匀，上部结构刚度较好，荷载分布较均匀，且基础梁接近于刚性梁（梁高大于柱距的1/6）HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础103.3.2柱下条基的计算(3)链杆法—弹性半空间地基上梁的简化计算基本思路：将连续支承于地基上的梁简化为用有限个链杆支承的梁，以阶梯形反力逼近实际反力，再将每段分布力用集中力代替。将无数支点的超静定问题变为若干个弹性支座上的连续梁,再用结构力学方法求解。主要特点：应用较广，适用于任何荷载及梁断面变化情况；以阶梯型反力代替连续反力有误差，计算较繁。HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础113.3.2柱下条基的计算(4)纽马克（Newmark）法—计算弹性地基梁计算原理：1943年提出，用于计算挠度、力矩和屈曲荷载，适用于变截面杆件。假定地基为文克尔地基，地基系数沿梁的轴线可任意变化，将梁沿轴线分为n段，每段土反力用一系列弹簧代替，弹簧个数为n+1，刚度为：li—每段梁长；地基反力为：yi—该段地基沉降iiilkbkiiiykP312k1k2kin+1kn+1A梁B图３.３用纽马克法计算地基梁简图HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础123.3.2柱下条基的计算(4)纽马克（Newmark）法1.分段，并求各支承点的弹簧刚度，ki=kbili（两端取半li）；2.假定仅荷载作用下梁A端位移yA=0，转角φA=0，求出各支承点位移；3.假定无荷载作用时梁A端位移yA=1，转角φA=0，求出各支承点位移；4.假定无荷载作用时梁A端位移yA=0，转角φA=1，求出各支承点位移；5.根据梁B端边界条件建立方程（二元线性），求出相应的A端实际yA和φA(若另端弯矩和剪力为0，则∑V=0，∑M=0)；6.迭加求得各支承点实际位移：7.由yi求出各支承点实际反力，从而求出梁身剪力及弯矩。012iiiAiAyyyyy0iy1iy2iyHunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础133.3.3柱下十字交叉梁基础的计算将节点荷载分配给两方向的基础梁后分别按单向基础梁计算。节点荷载分配原则（弯矩不分配）：静力平衡、变形协调。常按梁的弹性特征长度S分配节点荷载（不满足变形协调）：414EISbk,yyxxixiiyixxyyxxyybSbSFFFFbSbSbSbS4,44yyxxixiiyixxyyxxyybSbSFFFFbSbSbSbS中柱和角柱节点：边柱节点：4,44yyxxixiiyixxyyxxyybSbSFFFFbSbSbSbS当边柱和角柱节点有一个方向伸出悬臂时，荷载分配应进行调整，具体计算见P.64～65交叉点处基底面积计算重复，基底反力偏小，计算结果偏于不安全，可按式(3-39)~(3-40)进行调整。HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础143.4筏形基础定义：是指柱下或墙下连续的平板式或梁板式钢筋砼基础，亦称“片筏基础”或“满堂红基础”特点一般埋深较大，沉降量小面积较大，整体刚度较大，可跨越地下局部软弱层，并调节不均匀沉降适用：上部结构荷载过大、地基土软弱、基底间净距小等情况HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础15形式：平板式、梁板式（下凹或上凸）图３.４片筏基础（a）平板式；（b）（c）梁板式HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础163.4筏形基础非地震区轴心荷载作用时pk≤fa偏心荷载pkmax≤1.2fa地震区需满足pk≤faEpkmax≤1.2faEfaE=ζafa—经修正、调整后的地基抗震承载力，kPaζa—地基土抗震承载力调整系数，根据岩土名称和性状按GB50011-2001《建筑抗震设计规范》取值，ζa=1.0~1.5设计要求内力计算：两种方法HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础173.4筏形基础倒楼盖法如同倒梁法，将筏基视为倒置在地基上的楼盖，柱或墙为其支座，地基净反力为荷载，再按单向或双向梁板的肋梁楼盖方法进行内力计算。板的支承条件可分为三种：①二邻边固定、二邻边简支；②三边固定、一边简支；③四边固定。根据计算简图查阅弹性板计算公式或手册，即可求得各板块的内力。当柱网及荷载分布都较均匀（变化不超过20%）、柱距小于1.75λ或上部结构刚性大(如剪力墙)时，可认为筏基为刚性，其内力及基底反力可按倒楼盖法计算。HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础183.4筏形基础弹性地基上板的简化计算法当筏基刚度较弱时，应按弹性地基上的梁板进行分析。若柱网及荷载分布仍较均匀，可将筏形基础划分成相互垂直的条状板带，板带宽度即为相邻柱中心线间的距离，并假定各条带彼此独立，相互无影响，按前述文克尔弹性地基梁的方法计算，即所谓的条带法（或截条法）。若柱距相差过大，荷载分布不均匀，则应按弹性地基上的板理论进行内力分析。采用条带法计算时纵横条带都用全部柱荷载和地基反力，而不考虑纵横向荷载分担作用，其计算结果内力偏大。HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础193.5箱形基础定义：由顶、底板与内、外墙等组成、并由钢筋砼整浇而成空间整体结构特点：刚度和整体性强，具有良好的补偿性和抗震性及附带功能(地下室、车库或设备间)适用：筏基太厚时采用，多用于无水(或少水)时的高层建筑图３.５箱形基础示意图HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础203.5箱形基础箱基埋深大，基底处土自重应力σc和水压力σw之和较大，可补偿建筑物的基底压力p补偿性设计概念若p=σc+σw，则基底附加应力为零，理论上：地基原有应力状态不变，即使地基极为软弱，也不出现沉降和剪切破坏；实际上：地基土因开挖而回弹，加载时又再压缩，导致其应力状态产生一系列变化，导致变形和强度问题。pσc+σw超补偿p＝σc+σw无补偿pσc+σw欠补偿HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础213.5箱形基础构造要求：高度应满足强度、刚度要求，≮长度的1/20，并≥3m；一般底板及外墙≥250mm，内墙≥200mm，顶板≥150mm，双向、双面分离配筋；砼强度等级≥C20，水下时外墙和底板砼防渗等级应≥0.6MPa。地基反力计算自重可按均布荷载处理，计算底板局部弯曲时应扣除其自重，计算整体弯曲所产生的弯矩时，应考虑共同作用。基底尺寸按地基承载力确定，并进行软弱下卧层验算。基底反力分布：复杂，一般软粘土地基呈“马鞍型”；第四纪粘土反力呈“抛物线型”。现行规范把基底分为纵向8个、横向5个共40个区格(方形64个)，采用实用简化法计算，如表3-2、3-3所示(P.76)。HunanUniversity3.柱下条形基础、筏形和箱形基础223.5箱形基础沉降和整体倾斜地基最终沉降量可按分层总和法计算ψ′—考虑回弹影响的沉降计算经验系数，无经验时取1.0设计要求011'1'nciisiisisiippszzEE要求：平均沉降值≤350mm；整体倾斜α≤3‰，当e＜B/100(B为箱基底板宽)，可不计算荷载偏心引起