关于独立基础设计的几点认识

关于独立基础设计的几点认识

独立基础的计算独立基础是钢筋混凝土结构的基本形式，在工业设施中得到广泛使用。对柱下天然地基上的独立基础,其主要计算内容包括3个方面:满足地基承载力要求所需要的基础底面尺寸;满足不发生冲切破坏所需要的基础高度;满足正截面抗弯要求所需要的基底受力钢筋。本文就独立基础设计时所涉及的荷载读取、独立基础拉梁设置谈几点认识。1在独立基础上，设计中设计期间的负荷组合类型的选择1.1荷载效应的确定按照GB50007—2002《地基基础设计规范》(以下简称《基础规范》)的规定,地基基础设计时,所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定:(1)按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时,传至基础或承台底面上的荷载效应,应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。(2)计算地基变形时,传至基础底面上的荷载效应,应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。(3)在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时,上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力,应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合,采用相应的分项系数。1.2总体验算及验算的问题根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗震规范》)的规定,下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算:(1)规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。(2)地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑:①一般的单层厂房和单层空旷房屋;②砌体房屋;③不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋;④基础荷载与③项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。软弱黏性土层指7度、8度和9度时,地基承载力特征值分别小于80kPa、100kPa和120kPa的土层。1.3模型2:不考虑地震计算作用在基础上的输出通过对规范的简要阐述,再结合软件,在应用PKPM软件进行结构设计时,不能直接用SATWE底层柱、墙、支撑最大组合内力文件(WDCNL*.OUT)。通过分析,可以看出:(1)确定基础底面积时,应该采用正常使用极限状态下荷载效应的标准组合值,而不是承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。该标准组合值在(WDCNL*.OUT)文件中没有输出。(2)计算地基变形时,要采用正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,不应计入风荷载和地震作用,此值在(WDCNL*.OUT)文件中没有输出。(3)关于《抗震规范》所述的有些抗震建筑的基础,可以不考虑地震计算作用的,应不考虑作用在基础上的地震组合,故应采用“恒+活”、“恒+活+风”。首先,如果在SATWE计算中选择计算地震力,在WDCNL*.OUT中没有单独输出“恒+活+风”组合;其次,对于“恒+活”组合而言,在WDCNL*.OUT中输出的也只是由可变荷载效应控制的“1.2D+1.4L”组合,并未输出永久荷载效应控制下的“1.35D+0.98L”。而在基础设计时,内力设计值应该是取二者的较大值。并且在通常情况下“1.35D+0.98L”组合起控制作用,仅当楼面荷载比较大,即活载与恒载的比值>2.8的情况下,才取“1.2D+1.4L”。(4)对于柱下独立基础设计时,即使是采用最大组合内力进行基础设计,其计算结果也可能偏不安全,因为根据《地基规范》中5.2.1条和5.2.2条的规定,当偏心荷载作用时:Fk+GkA±MkW≤1.2faFk+GkA±ΜkW≤1.2fa(1)从(1)式可以看出,影响基础底面积大小的主要因素有两个,一个是轴力,另一个是弯矩。当某种内力为最大值时,由此而产生的其他内力有可能很小,比如说,最大轴力所对应的弯矩和剪力值有可能很小,由这种组合计算出来的基础并不一定是最不利组合计算出来的;而次轴力所对应的弯矩和剪力值有可能很大,由这种组合计算出来的基础有可能是最不利组合计算出来的。(5)在进行基础设计时,不考虑如《抗震规范》或《高规》中的增大和调整系数,而WDCNL*.OUT文件中输出结果是调整后的值。1.4荷载转换系数通过以上分析可知,基础底面积计算时一般应采用标准值,而PKPM软件底层柱、墙、支撑最大组合内力文件(WDCNL*.OUT)输出的是设计值,不可以直接作为基础设计的依据。选用标准值时可采用一种简化的计算方法:设计值/换算系数=标准值。以下就换算系数的选择进行简单介绍。过去使用旧规范时,一般在民用建筑结构的计算中,常需将荷载标准值换算成设计值,近似地将恒活标准值乘以1.25的转换系数得到设计值,这是基于旧规范恒载的分项系数1.2、活载分项系数1.4的前提。在新荷载规范中,恒载控制时恒载的分项系数为1.35,活载的分项系数实为1.4×0.7=0.98,此时在将标准值换算成设计值时,换算系数需重新考虑。过去使用旧规范时,可近似地认为转换系数为1.25,是恒载标准值所占总荷载标准值中的份额乘以分项系数1.2与活载标准值所占总荷载标准值中的份额乘以分项系数1.4这两者之和,也就是设计值,再除以恒载和活载标准值之和的比值的结果。据此可反算出恒载标准值所占总荷载标准值中的份额和活载标准值所占总荷载标准值中的份额(或者叫权重)。据此权重,可计算出2002年新规范恒载控制时的转换系数,即恒载的分项系数为1.35,活载的分项系数实为1.4×0.7=0.98时,分别乘以恒载或活载标准值所占总荷载标准值中的份额,再除以恒载和活载标准值之和,而得到新的转换系数。为简化计算过程,设旧规范时恒载标准值所占总标准值权重为1,则活载所占权重为a倍的恒载,权重即为a,简化认为旧规范时转换系数1.25,是恒载标准值所占总荷载标准值中的份额乘以分项系数1.2与活载标准值所占总荷载标准值中的份额乘以分项系数1.4这两者之和,再除以恒活标准值之和而得到的转换系数,则:1.2×1+1.4a=1.25(1+a),解得:a=0.333据此权重,可计算出新规范恒载控制时的转换系数:(1.35×1+0.98×0.333)/(1+0.333)=1.257,近似取1.26。所以,荷载标准值与设计值互换时的转换系数,笔者建议取1.26较合理。由上述可知,1.26是基于恒载占到总荷载75%时的转换系数。表1是假定当恒载占到总荷载的80%～90%时对应计算出的转换系数。由此可见,对于民用建筑的柱、基础等构件,转换系数宜取1.26～1.31。其实采用哪个系数均无所谓对错,也都没有安全问题,只是对恒载与活载所占总荷载的权重,人为估计得偏大或偏小些。2独立牵引梁配置2.1桩基结构内信托力值的特点表3根据《抗震规范》的规定,框架柱下独立基础有下列情况之一时,宜沿两个主轴方向设置基础拉梁:(1)一级框架和Ⅳ类场地上的二级框架。(2)各柱基承受的重力荷载代表值差别较大。(3)基础埋置较深,或各基础埋置深度差别较大。(4)地基主要受力层范围内存在软弱黏性土层、液化土层和严重不均匀土层。(5)桩基承台之间。设置基础拉梁的主要目的是,加强独立基础之间的整体性,调整柱基之间的不均匀沉降,减小首层柱的计算高度。除上述情况外,一般可不设置基础拉梁。2.2独立拉梁配置建议当采用PKPM软件进行设计时,拉梁的计算方法可以选用下列两种方法之一。2.2.1主体结构的设计在PMCAD中设置拉梁层,应注意以下问题:(1)输入两个模型,模型1将框架柱嵌固在基础顶面,模型2增加输入一拉梁层。(2)拉梁层的拉梁应按框架梁设计。抗震设计时,拉梁应按相应抗震等级的框架梁设计箍筋加密区。(3)拉梁层没有楼板,在PMCAD建模时定义该层楼面板厚为“0”,楼面恒活荷载全部为“0”,结构整体计算时再定义弹性楼板(弹性膜),并用总刚分析的方法进行分析计算。(4)拉梁上有填充墙时,应将其折算成梁间线荷载(恒载)输入在拉梁上。(5)设有拉梁层的框架结构宜计算两次,模型1将框架柱嵌固在基础顶面进行计算;模型2时,SATWE软件的总信息中的参数“地下室层数”定义为“1”,将拉梁层定义为1层地下室,“回填土对地下室约束相对刚度比”可填“1”,以考虑地基土一定的约束。框架梁、柱配筋取两次整体计算结果的较大值。(6)拉梁可以平衡柱底弯矩,在JCCAD中将[基本参数]菜单中的参数“拉梁承担弯矩比例”输入合适的比值,程序在进行柱下独立基础计算时给予考虑。(7)首层楼面以下、基础顶面以上的框架柱,宜取拉梁层以上和以下框架柱纵向受力钢筋的较大值通长配筋。抗震设计时,拉梁层以下框架柱的箍筋宜全高加密。拉梁纵向受力钢筋除应满足计算要求外,正弯矩钢筋应全部拉通,负弯矩钢筋50%拉通。2.2.2模型2:拉梁“弯矩比例”的输入取拉梁所拉结的柱子中轴力较大值的1/10作为拉梁的轴心拉(压)力,拉梁应按轴心受拉(压)构件计算。可以采用GJ软件计算拉梁,首先将相邻两柱轴力较大值的1/10输入“轴拉力设计值”,其次将“弯矩设计值”输入,注意当拉梁上有填充墙或其他竖向荷载时,