高層建筑結構基礎計算與設計

1、第10章 高層建筑結構根底計算與設計10.1 筏板根底計算與設計10.2 箱形根底計算與設計10.3 樁根底計算與設計本章主要內容：筏板根底計算與設計 筏板根底的選用原那么： 1)在軟土地基上，用柱下條形根底或柱下十字交梁條形根底不能滿足上部結構對變形的要求和地基承載力的要求時，可采用筏板根底。 2)當建筑物的柱距較小而柱的荷載又很大，或柱的荷載相差較大將會產(chǎn)生較大的沉降差需要增加根底的整體剛度以調整不均勻沉降時，可采用筏板根底。 3)當建筑物有地下室或大型貯液結構(如水池、油庫等)，結合使用要求，筏板根底將是一種理想的根底形式。 4)風荷載及地震荷載起主要作用的建筑物，要求根底要有足夠的剛度

2、和穩(wěn)定性時，可采用筏板根底。 筏形根底大多采用梁板式結構的形式，當柱網(wǎng)間距大時，可加肋梁使根底剛度增大。它又分成單向肋和雙向肋兩種形式 筏板根底的設計原那么 1.根底底面積確實定 基底反力應滿足以下要求2.盡可能使荷載合力重心與筏形根底底面形心相重合。如果偏心較大，或者不能滿足式(10-2)第二式要求，為減少偏心距和擴大基底面積，可將筏板外伸懸挑。3.如有軟弱下臥層，應驗算軟弱下臥層強度，驗算方法與天然地基淺根底相同。根底的沉降 根底的沉降應小于建筑物的允許沉降值，可按分層總和法或按?地基根底標準?規(guī)定的方法計算。如果根底埋置較深，應適當考慮由于基坑開挖所引起的回彈變形。當預估沉降量大于l20

3、mm時，宜增強上部結構的剛度。 筏板根底的構造 1.筏板根底板厚度 等厚筏板根底板厚度一般可取200mm400mm且板厚與計算區(qū)段的最小跨度比不宜小于120，由抗沖切強度和抗剪強度驗算確定。有懸臂筏形根底，可做成坡度，但邊端厚度不小于200mm。筏板根底懸挑墻外的長度，橫向不宜大于1000mm，縱向不宜大于600mm。如果采用不埋式筏板根底，四周必須設置連梁。2.筏板根底配筋筏板根底配筋由計算確定，按雙向配筋，并考慮下述原那么： (1)平板式筏板根底按上板帶和跨中板帶分別計算配筋，以柱上板帶的正彎矩計算下筋，用跨中板帶的負彎矩計算上筋，用柱上和跨中板帶正彎矩的平均值計算跨中板帶的下筋。 (2)

4、肋梁式筏板根底在用四邊嵌固雙向板計算跨中和支座彎矩時，應適當予以折減。對肋梁取柱上板帶寬度等于柱距，按T形梁計算，肋板也應適當?shù)靥舫鰈613柱距。 配筋除滿足上述計算要求，縱橫向支座配筋尚應有配筋連通，跨中鋼筋按實際配筋全部連通。 (3)墻下筏板根底適用于設有人工墊層的軟弱地基及具有硬殼層的比較均勻的軟土地基上，建造6層及6層以下橫墻較密集的民用建筑。墻下筏板根底一般為等厚度的鋼筋混凝土平板，混凝土強度等級可采用C30，對于地下水位以下的地下室筏板根底，必需考慮混凝土的抗?jié)B等級，并進行抗裂度驗算。筏板根底墊層厚度一般為100mm。 筏板根底配筋除符合計算要求外，縱橫方向支座鋼筋尚應分別有、配筋

5、率連通，跨中鋼筋按實際配筋率全部連通。底板受力鋼筋的最小直徑不宜小于8mm。當有墊層時，鋼筋的保護層厚度不宜小于35mm。筏板根底內力簡化計算方法 采用剛性法時，根底底面的地基凈反力可按下式計算 采用剛性法計算時，在算出基底地基凈反力后，常使用倒樓蓋法和剛性板條法計算筏板根底的內力。 1.倒樓蓋法 倒樓蓋法計算根底內力的步驟是將筏形根底作為樓蓋，地基凈反力作為荷載，底板按連續(xù)單向板或雙向板計算。采用倒樓蓋法計算根底內力時，在兩端第一、二開間內，應按計算增加1020的配筋量且上下均勻配置。2.剛性板條法 框架體系下的筏形根底也可按剛性板條法計算筏板內力。其計算步驟如下：先將筏板根底在x，y方向從

6、跨中到跨中劃分成假設干條帶，如圖10-4所示，而后取出每一條帶進行分析。設某條帶的寬度為b，長度為L，條帶內柱的總荷載為條帶內地基凈反力平均值為 ，計算兩者的平均值 為 筏板根底的剛性板條劃分圖 調整基底平均凈反力，調整值為計算柱荷載的修正系數(shù) ,并按修正系數(shù)調整柱荷載 最后采用調整后柱荷載及基底凈反力，按獨立的柱下條形根底計算根底內力。 剛性板條法計算實例 【例】 筏形根底平面尺寸為，厚，柱距和柱荷載如圖10-5所示，試計算根底內力。圖10-5 【例】圖將筏形根底在Y軸方向從跨中到跨中劃分三條板帶AGHF、GIJH和ICDJ，分別計算其內力。 第一步：求解基底凈反力由式(10-3)，不計算根

7、底自重G得各點凈反力見表10-2。 筏板根底設計算例 如一幢建造在非抗震區(qū)的9層辦公樓，層高為，上部采用現(xiàn)澆框架結構，柱網(wǎng)布置如圖10-7所示，地質勘查報告提供的地基剖面圖見表10-3，地基承載力特征值fa=130kPa(在2m深處)。采用平板式筏形根底，試確定筏形根底的埋深、底面積和板厚。 柱網(wǎng)與根底底板平面(尺寸：m) 箱形根底計算與設計 箱形根底是高層建筑中常用的根底型式之一，它由鋼筋混凝土頂、底板和內外縱向橫墻組成的具有相當大剛度的空間結構(見圖10-8)?？臻g局部可結合建筑使用功能設計成地下室。設計要求 箱形根底上部結構多為鋼筋混凝士結構，如框架、剪力墻或框剪結構。這些結構自重很大，

8、由于建筑物很高，風荷載及地震荷載較一般建筑物大，因此在設計時，除應考慮地基的容許承載力之外，還要考慮建筑物的允許變形及傾斜要求，以及地下水對根底的影響(如水的浮力、側壁水壓力、水的侵蝕性、施工時的排水等問題)。為此在擬建的建筑物場地內，應進行詳細的地質勘探工作，查明該場地內的工程地質及水文地質資料。 箱形根底埋深及構造要求 1.箱形根底埋深 箱形根底的埋置深度除應滿足一般根底埋置深度有關規(guī)定外，對于作為高層建筑或重型建筑物的根底，根底埋置深度尚應滿足抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性要求，并綜合考慮箱基使用功能(如作為人防、抗爆、防輻射等)要求來確定。箱形根底的埋置深度一般取高層建筑物總高度的l8112，或

9、箱形根底長度的116118，并不小于3m，且不宜小于3m,在地震區(qū)埋深不宜小于高層建筑物總高度的l15。為確定合理的埋深應進行抗傾覆等穩(wěn)定性驗算。箱形根底的自重不宜小于上部結構物重力的l615。 箱形根底的埋置深度比一般根底大得多，既有利于對地基承載力的提高，挖去的土方重力遠比箱形根底重，相應的基底附加應力值會得到減小。因此，箱形根底是一種理想的補償根底。采用箱形根底不但可以提高地基土的承載力，而且在同樣的上部結構荷載的情況下，根底的沉降要比其他類型天然地基的根底小。 箱形根底的構造要求 預制長柱與箱形根底的連接 箱形根底基底反力 箱形根底的地基驗算 箱形根底面積大、埋置深、剛度大，地基受力相

10、對趨于均勻，有較高的承載能力。箱形根底埋置較深，與地基土及回填土結合起來，能較好地發(fā)揮根底與周圍土體的共同作用，穩(wěn)定性也較好。但由于上部結構荷載大，因此沉降總是存在的。在風荷載比較大以及地震地區(qū)，不僅要考慮強度、變形、穩(wěn)定等問題，還要考慮整體傾斜問題。造成箱形根底整體傾斜的因素很多，但主要還是地基沉降不均勻所致。1.箱形根底的地基承載力驗算 a.非地震區(qū)箱基地基承載力驗算 箱形根底地基承載力要滿足以下條件箱形根底考慮地下水浮力之后，基底壓力應滿足下式b.地震區(qū)箱形根底地基承載力 地震區(qū)箱形根底的地基承載力、荷載組合均要按抗震設計標準的要求進行計算。除滿足非地震區(qū)的有關計算公式外，基底最大壓力還

11、要滿足下式2.箱形根底地基變形驗算 箱形根底底面積大，荷載也大，地基土被壓縮的土層也深，應力擴散的范圍大。因此，箱形根底地基的變形對周圍建筑物必然要產(chǎn)生影響。反之，周圍建筑物較大的荷載，也會對箱形根底的沉降產(chǎn)生影響。假設地基土質好、沉降較小，地基變形穩(wěn)定也較快，對相鄰建筑物的影響也較小。假設地基較弱，沉降較大，地基變形持續(xù)的時間將較長，地基變形的穩(wěn)定將是緩慢的。 目前，計算較大埋深的箱形及筏形根底的沉降主要有三種方法，即?地基根底標準?推薦的分層總和法；?箱形與筏形根底標準?推薦的壓縮模量法；?箱形與筏形根底標準?推薦的變形模量法。 a.?地基根底標準?推薦的分層總和法 箱形根底的沉降計算現(xiàn)在

12、仍采用分層總和法。但由于箱形根底具有荷載大、根底底面積大、埋置深度大、地基壓縮層影響范圍大等特點，因此在計算總沉降量時，與一般工業(yè)與民用建筑結構相比，略有差異。 b.?箱形與筏形根底標準?推薦的壓縮模量法 c.?箱形與筏形根底標準?推薦的變形模量法 當采用土的變形模量計算箱形和筏形根底的最終沉降量s時，可按下式計算進行沉降計算時，沉降計算深度Zn，應按下式計算3.箱形根底整體傾斜驗算 確定橫向整體傾斜允許值的主要依據(jù)是保證建筑物的穩(wěn)定性和正常使用，不造成人們心理恐慌，與此相關的主要因素是建筑物的高度H。和箱形根底的寬度b，在非地震區(qū)，橫向整體傾斜計算值口應符合下式要求4.箱形根底穩(wěn)定驗算 在風

13、荷載很大的地區(qū)、地震區(qū)、地下水位較高的軟土地區(qū)、且箱形根底埋深不很大時，此時對箱基要進行穩(wěn)定性驗算，要提高建筑物四周回填土的質量以提高箱形根底的抗滑移能力，此外要滿足下式在軟土地基，抗滑移能力按下式計算 箱形根底內力計算方法1.箱形根底荷載計算箱形根底埋藏于地下，承受各種荷載(見圖10-14)，這些荷載主要有： 1)地面堆載產(chǎn)生的側壓力為圖10-14 箱形根底荷載圖2.箱形根底內力計算 箱形根底在上部結構傳來的荷載、地基反力及箱形根底四周土的側壓力共同作用下，將發(fā)生彎曲，這種彎曲稱為整體彎曲。頂板在荷載作用下也發(fā)生彎曲，這種彎曲稱為局部彎曲。底板在地基反力作用下也發(fā)生局部彎曲。因此在設計箱形根

14、底時，必須按結構的實際情況，分別分析箱形根底的整體彎曲和局部彎曲所產(chǎn)生的內力，然后將配筋量疊加。 箱形根底內力分析，應根據(jù)上部結構剛度大小采用不同的計算方法。由于箱形根底造價昂貴，施工復雜，因而主要用于高層建筑，其上部結構大致可分為框架、剪力墻、框剪及框筒四種結構類型。根據(jù)上部結構情況，可采用以下兩種方案計算箱形根底內力。 a.上部結構為剪力墻、框架一剪力墻體系 當?shù)鼗鶋嚎s層深度范圍內的土層在豎向和水平方向較均勻，且上部結構平面、立面布置較為規(guī)那么的剪力墻、框架一剪力墻體系時，由于上部結構的剛度相當大，以至于箱基的整體彎曲小到可以忽略的程度，箱形根底的頂、底板可僅按局部彎曲計算，即頂板按實際荷

15、載、底板按均布基底反力作用的周邊固定雙向連續(xù)板分析?？紤]到整體彎曲可能的影響，鋼筋配置量除符合計算要求外，縱橫向支座鋼筋尚應分別有和配筋率連通配置，跨中鋼筋按實際配筋率全部連通。 【例】 有一箱形根底，如下圖，上部結構傳來的活荷載為37kNm2(不包括頂板活荷載)，上部結構傳來的恒荷載為42kNm2(不包括頂板及內外墻體的自重)。頂板活荷載為20kNm2，地面堆載為20kNm2。頂板厚度為30cm，底板厚為50cm。地下水在處，土的重度y=18kNm3。試按局部彎曲計算頂板、底板和內外墻的內力?！窘狻?頂、底板按雙向板計算，內、外墻按連續(xù)梁計算?；钶d分項系數(shù)取，恒載分項系數(shù)取。第一步：頂板計算

16、頂板荷載：活載P=1.320kNm2=26kNm2 恒載q=1.20.325kNm2=9kNm2 Pj=P+q=35kNm2頂板為兩列雙向板，可按圖內力計算簡圖進行。=lylx=9，由混凝土結構雙向板內力計算表可查得ix、iy、xix等值，計算結果見表10-12、表10-13。 b.上部結構為框架體系 上部結構為純框架結構時，剛度較小，此時箱形根底在土壓力、水壓力及上部結構傳來的荷載共同作用下，將發(fā)生整體彎曲。因此，箱基的內力應同時考慮整體彎曲和局部彎曲作用。在計算整體彎曲產(chǎn)生的彎矩時，將上部結構的剛度折算成等效抗彎剛度，然后將整體彎曲產(chǎn)生的彎矩按根底剛度占總剛度的比例分配到根底?；追戳蓞?/p>

17、照基底反力系數(shù)法或其他有效方法確定。由局部彎曲產(chǎn)生的彎矩應乘以的折減系數(shù)，并疊加到整體彎曲的彎矩中去 。箱形根底構件強度計算1.頂板與底板計算箱形根底頂板、底板厚度除根據(jù)荷載與跨度大小按正截面抗彎強度確定外，其斜截面抗剪強度應符合下式要求樁根底計算與設計 確定建筑物地基根底方案時，從平安、合理、經(jīng)濟角度出發(fā)，應優(yōu)先選擇天然地基淺根底。當?shù)鼗鶞\層土質軟弱，選擇天然地基淺根底不滿足地基強度及變形要求時；或采用人工加固處理地基不經(jīng)濟時；或是高層建筑根底、重型設備根底時；可采用地基根底方案中的天然地基深根底方案。樁根底就是天然地基深根底方案之一。 本章主要采用?建筑樁根底技術標準?(JGJ941994

18、)，以下簡稱為?樁基標準?。本章對?地基根底標準?中的樁根底內容加以簡單的介紹。 樁的分類 單樁豎向承載力確實定1.單樁豎向承載力的概念及確定原那么 以下采用?樁基標準?，介紹單樁豎向承載力。 a.單樁在豎向荷載作用下的破壞形式 單樁在豎向荷載作用下有兩種破壞形式：一種是樁身材料發(fā)生破壞；另一種是地基土發(fā)生破壞。 1)樁身材料發(fā)生破壞：當樁身較長，樁端支撐于很堅硬的持力層上，而樁側土又十分軟弱對樁身沒有約束作用，此時樁是典型的端承樁，樁身像一根細長的受壓柱，可能突然發(fā)生縱向彎曲，失去穩(wěn)定而破壞。 2)地基土發(fā)生破壞：當樁穿越軟弱土層，支撐在硬持力層土層，其地基破壞類似于淺根底下地基的整體剪切破壞。如果樁端持力層為中強度土或軟弱土時，在豎向荷載作用下的樁可能出現(xiàn)刺入破壞形式。 b.單樁的豎向極限承載力的概念 由于樁的承載力條件不同，樁的承載力可分為豎向承載力(豎向抗壓承載力和抗拔承載力)及水平承載力兩種。 c.單樁豎向極限承載力標準值 單樁豎向極限承載力標準值是用以表示設計過程中相應樁基所采用的單樁豎向極限承載力的根本代表值。該代表值是用數(shù)理統(tǒng)計方法加以處理，具有一定概率的最大荷載值。2.按樁身材料強度確定單樁豎向承載力設計值按樁身材料強度確定單樁豎向承載力時，是將處于土中的樁近似看成兩端