PKPM结构优化设计探讨——独立基础

PKPM结构优化设计探讨——独立基础独立基础是工业民用建筑中最常见的基础形式之一，不仅具有很好的经济性，并且由于其受力明确、传力直接的特点，优化设计易被各方接受。影响独基设计经济性的因素，包括荷载控制、承载力取值、内力计算和构造几方面。下面以JCCAD软件为背景，截取相关窗口加引注进行论述。其中荷载控制主要指正确填写活载“按楼层折减系数”、“准永久值系数”、“组合值系数”。此处不再赘述。1.地基承载力及其修正：1.1.理解基础埋深与造价的辩证关系：基底的合理深度与土质有关，这是一个常识。但是具体到独基尽量做深还是尽量做浅，其实是有规律可循的。根据规范，不同土质地基承载力修正系数ηd的大小差别很大，对于淤泥、淤泥质土、e或IL≥0.85的粘性土、未严格压实的人工填土，ηd=1.0，这意味着随埋深的增加，承载力的增加以等值的覆土重量为代价，考虑横向力引起的基础弯矩的增大，实际上独基的实体工程量必定加大。相反，对于压实的级配砂石、粘粒含量小于10%的粉土、粉砂以上等土质，ηd≥2.0，增加少量埋深可以显著提升承载力数值，从而降低实体造价。因此可以笼统地说：土质好宜深埋，土质不好宜浅埋，或者说深埋的基础只有置于好土之上才有价值。1.2.考虑“折算基础埋深”问题：埋深对承载力影响的本质，是地基土的约束作用，以基底与土面高差来确定的“d”只是其中一部分，可以叫做“几何埋深”，另一方面，基底以上的超载（包括结构自重、活载）同样提供对地基土的约束。如超载为σ，则d’=σ/γm,此处的d’可以称之为“物理埋深”，规范5.2.4条对应的d值应该是完整的折算埋深，是几何埋深与物理埋深之和。公式可以表述为fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d+d’-0.5)。应当注意，d+d’不应大于基础的开挖深度。1.3.考虑地下水位时的不利组合：图中“注1”的选择，主要参考因素是地下水丰水、枯水两种工况的比较。当ηd大于1时，则应选择丰水工况来设计，即填入高水位对应的γm，以及相应的“单位面积覆土重”（图中注2）。1.4.分区考虑fa和折算埋深：如上所述，对于具体独基而言，地基承载力不仅与基底的土质有关，也与该基础的折算埋深有关，因此，坐落于同样地层上的各独基，如果埋深不同，承载力也将各异。对于基底有高差的项目，JC中应分区输入相应的“d”和“γ，H”。2.内力计算与JC参数输入：PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion灵活选择“底面长宽比”（注3）：一般情况下此值取1基础最优，但以下几种情形可能最好使独基底面成为矩形：a.两柱相距较近，为防止形成双柱基础，而将独基设计成两个相互脱开的矩形；b.场地限制；c.柱底弯矩较大，以矩形独基的长边抵抗弯矩，受力更优，独基尺寸也更小。2.2.准确填写“单位面积覆土重”（注2）：勾选“自动计算覆土重”时，程序默认PM阶段对应的±0.000为填土面标高，其与“注4”输入的基底标高之差为填土厚度。因此，当填土面不是±0.000时，不应勾选此项。2.3.基础归并系数（注5）取小值：一般归并系数越小，独基的实体总量会越小。软件默认的归并系数为0.2，笔者试算一个项目，系数取0.2时，会有30种独基，钢筋总量为4566Kg，系数取0.1时，有37种独基，钢筋量为4243Kg，系数为0.05时，有46种独基，钢筋量变成4023Kg。当项目对经济性要求较高时，可以考虑取0.1直至0.05。2.4.基底标高：“注4”是关键参数之一，它的数值将影响两个方面，一是柱底横向力对基底弯矩的大小，当横向力较大，较深的基底标高会显著增大独基尺寸；二是勾选“自动计算覆土重”时，影响覆土荷载数值。实际项目中此处出错较常见。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion独基构造设计方面的内容：3.1.底板的最小配筋率（注6）：一般情况下，独基应填0.15%；3.2.基础底面受拉面积比（注7）：“抗规”规定，多层建筑和高宽比不大于4倍的高层建筑，在地震作用下，“基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面积的15%”，因而此类建筑“注7”应填0.15，相比于此处填0，理论上可使独基单向尺寸减小30%，可见，设计师随意填注将很浪费。3.3.独基的形式（注8）与边缘高度：首先锥形独基一般比阶形独基省，对锥形而言，按规范其边缘高度可取200而不是250或者300，此项对降低砼含量及其造价的作用不可小视，某典型独基：底面尺寸3.5*3.5，顶面0.5*0.5，独基总高700，当边缘高度取为300时，该独基砼量为5.8M3，当边缘高高度优化为200后，砼量只有5.1M3，而砼数量对独基造价影响很大，这个也是独基的一大特点。当采用阶形独基时，边缘高度按照规范宜取为300。3.4.运用好规范的建议：在基础宽度B≥2.5米时，“底板受力钢筋的长度可取为边长的0.9倍，且交错布置”，显然，此项直接节省钢筋10%。3.5.关于是否加系梁：按照“抗规”第6.1.11条，部分情况下独基应设系梁。为满足抗震要求而设的系梁，是一种强化柱底嵌固效果的构造措施，机理是补偿独基抗转动刚度不足的问题，因此系梁必然承担部分柱底弯矩。设计者理应利用“注9”所填数值，达到降低独基弯矩、减小独基尺寸的目的。3.6.在柱底弯矩较大时，应利用软件提供的“移心”功能来使独基的形心与竖向力的轴线相接近，以达到减小独基尺寸的目的。具体做法是：先进行“独基布置”，然后输入“移心值”，同时减小独基尺寸，最后运行“自动生成”，程序会自动补足不满足部分，既方便又经济。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion