pkpm平板筏基建模方法

目前工程中，“柱下或者剪力墻下平板式筏板”在pkpm里計(jì)算，簡(jiǎn)單概括有三個(gè)方法：“倒樓蓋”“彈性地基梁法”“樁筏筏板有限元計(jì)算”。

具體到用“彈性地基梁法”（即jccad中第三個(gè)菜單）計(jì)算“柱下或者剪力墻下平板式筏板”的操作步驟是什么，這個(gè)流程是什么下面具體羅列：

1、首先要按地勘報(bào)告輸入地質(zhì)數(shù)據(jù)，用于沉降計(jì)算。非常重要。

2、在菜單2中輸入筏基模型，注意筏板一般要挑出，因此首先用網(wǎng)格延伸命令將網(wǎng)格向外延伸一個(gè)懸挑長(zhǎng)度，然后定義并布置筏板，給出厚度和埋深，并做柱和墻的沖切驗(yàn)算，看看板厚是否滿足要求，如不滿足，可以加柱帽（注：加柱帽的功能在“上部構(gòu)件”的菜單中）。

3、輸入筏板荷載，如果是平板式基礎(chǔ)，可以直接布置板帶，程序自動(dòng)確定板帶翼緣寬度形成地基梁模型。也可以不布置板帶，直接定義地基梁形成梁元模型。

4、進(jìn)入菜單3，按梁有限元法計(jì)算筏板。首先需要計(jì)算沉降，這里有個(gè)非常重要的概念，就是地基模型的選用。程序用模型參數(shù)kij（默認(rèn)為0.2）來(lái)模擬不同的地基模型，kij=0的時(shí)候，為經(jīng)典文克爾地基模型，kij=1的時(shí)候，為彈性半空間模型，不明白看教材。一般軟土取低值0~0.2，硬土取高值0.2~0.4。其它參數(shù)不難理解，不贅述。梁元法程序提供兩種沉降計(jì)算模式，剛性沉降和柔性沉降。柔性沉降假定筏板為完全柔性，而剛性沉降則假定為完全剛性。計(jì)算完成后，程序用求出的各區(qū)格反力除以其沉降值得到各區(qū)格的地基剛度值，然后轉(zhuǎn)換為地梁計(jì)算用的地梁下的基床反力系數(shù)，這樣便確定了基地的反力分布，用于下一步的內(nèi)力計(jì)算。沉降計(jì)算是筏板計(jì)算的核心步驟。

4、基床系數(shù)k的合理性判斷。沉降計(jì)算完畢后，計(jì)算數(shù)據(jù)中會(huì)給出各區(qū)格的地基剛度，即基床系數(shù)。這個(gè)系數(shù)一般要比建議值小很多�；�床系數(shù)的合理性，關(guān)鍵看沉降計(jì)算結(jié)果�？捎靡�(guī)范分層總和法手算地基中心點(diǎn)處的沉降值作比較。如出入大，應(yīng)調(diào)整基床系數(shù)使其接近手算值。因此，用軟件算連續(xù)基礎(chǔ)，實(shí)際上就是對(duì)基床系數(shù)的校核。菜單5的有限元法中提供的“沉降試算”功能，就是這個(gè)思想（其實(shí)這個(gè)功能就是給懶人和初學(xué)者開發(fā)的）。

5、對(duì)于基床系數(shù)的調(diào)整，程序提供了一種方便的功能–可以按照廣義文克爾地基模型進(jìn)行地基梁計(jì)算，即變基床系數(shù)調(diào)整法。可以把你輸入的基礎(chǔ)系數(shù)，按照已經(jīng)計(jì)算完畢的各區(qū)格的剛度變化率進(jìn)行調(diào)整，作為新的基礎(chǔ)系數(shù)用于下一步的地基梁內(nèi)力計(jì)算。

6、基礎(chǔ)計(jì)算模型一般用普通彈性地基梁就可以了，倒樓蓋模型缺點(diǎn)較多，一般不推薦�？紤]上部結(jié)構(gòu)剛度可根據(jù)具體情況選擇完全剛性，或等代剛度法。

筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析2009

1　筏板基礎(chǔ)埋深及承載力的確定

天然筏板基礎(chǔ)屬于補(bǔ)償性基礎(chǔ),因此地基的確定有兩種方法.一是地基承載力設(shè)計(jì)值的直接確定法.它是根據(jù)地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值按照有關(guān)規(guī)范通過(guò)深度和寬度的修正得到承載力設(shè)計(jì)值,并采用原位試驗(yàn)(如標(biāo)慣試驗(yàn)、壓板試驗(yàn)等)與室內(nèi)土工試驗(yàn)相結(jié)合的綜合判斷法來(lái)確定巖土的特性.二是按照補(bǔ)償性基礎(chǔ)分析地基承載力.例如:某棟地上28層、地下2層(底板埋深10m)的高層建筑,由于將原地面下10m厚的原土挖去建造地下室,則卸土土壓力達(dá)180kpa,約相當(dāng)于11層樓的荷載重量;如果地下水位為地面下2m,則水的浮托力為80kpa,約相當(dāng)于5層樓的荷載重量,因此實(shí)際需要的地基承載力為14層樓的荷載.即當(dāng)?shù)鼗�承載力標(biāo)準(zhǔn)值f≥250kpa時(shí)就能滿足設(shè)計(jì)要求,如果筏基底板適當(dāng)向外挑出,則有更大的可靠度.

2　天然筏板基礎(chǔ)的變形計(jì)算

地基的驗(yàn)算應(yīng)包括地基承載力和變形兩個(gè)方面,尤其對(duì)于高層或超高層建筑,變形往往起著決定性的控制作用.目前的理論水平可以說(shuō)對(duì)地基變形的精確計(jì)算還比較困難,計(jì)算結(jié)果誤差較大,往往使工程設(shè)計(jì)人員難以把握,有時(shí)由于計(jì)算沉降量偏大,導(dǎo)致原來(lái)可以采用天然地基的高層建筑,不適當(dāng)?shù)夭捎昧藰痘�礎(chǔ),使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)于保守,造價(jià)提高,造成浪費(fèi).采用各向同性均質(zhì)線性變形體計(jì)算模型,用分層總和法計(jì)算出的自由沉降量往往同實(shí)測(cè)的地基變形量不同,這是受多種因素的影響造成的.

(1)這種理論的假定條件遵循虎克定律,即應(yīng)力—應(yīng)變呈直線關(guān)系,土體任何一點(diǎn)都不能產(chǎn)生塑性變形,與土體的實(shí)際應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)不相一致;

(2)公式中S=7S6ziAi-zi-1Ai-1ESi[2]

采用的計(jì)算參數(shù)系室內(nèi)有側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得的壓縮模量ESi,試驗(yàn)條件與基礎(chǔ)底面壓縮層不同深度處的實(shí)際側(cè)限條件不同;

(3)利用公式計(jì)算的建筑物沉降量只與基礎(chǔ)尺寸有關(guān),而實(shí)測(cè)沉降量已受到上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)剛度的調(diào)整.

采用箱型基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)的高層建筑物,由于其荷載大、基礎(chǔ)寬,因而壓縮層深度大,與一般多層建筑物不同,地基不是均一持力層.因此在地基變形計(jì)算的公式中引入了一個(gè)沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)7S.通過(guò)實(shí)際沉降觀測(cè)與計(jì)算沉降量的比較,適應(yīng)高層建筑物箱型基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),主要與壓力和地層條件相關(guān),尤其與附加壓力和主要壓縮層中(0.5倍基礎(chǔ)寬度的深度以內(nèi))砂、卵石所占的百分比密切相關(guān).由于該系數(shù)7S僅用于對(duì)附加壓力產(chǎn)生的地基固結(jié)沉降變形部分進(jìn)行調(diào)整,所以《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定可根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定.計(jì)算高層建筑的地基變形時(shí),由于基坑開挖較深,卸土較厚往往引起地基的回彈變形而使地基微量隆起.在實(shí)際施工中回彈再壓縮模量較難測(cè)定和計(jì)算,從經(jīng)驗(yàn)上回彈量約為公式計(jì)算變形量10%～30%,因此高層建筑的實(shí)際沉降觀測(cè)結(jié)果將是上述計(jì)算值的1.1～1.3倍左右.應(yīng)該指出高層建筑基礎(chǔ)由于埋置太深,地基回彈再壓縮變形往往在總沉降中占重要地

位,有些高層建筑若設(shè)置3～4層(甚至更多層)地下室時(shí),總荷載有可能等于或小于卸土荷載重量,這樣的高層建筑地基沉降變形將僅由地基回彈再壓縮變形決定.由此看來(lái),對(duì)于高層建筑在計(jì)算地基沉降變形中,地基回彈再壓縮變形不但不應(yīng)忽略,而應(yīng)予以重視和考慮.高層建筑箱型基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)的計(jì)算與一般中小型建筑的基礎(chǔ)有所不同,如前所述,高層建筑除具有基礎(chǔ)面積大、埋置深,尚有地基回彈等影響.有時(shí)將基礎(chǔ)做成補(bǔ)償基礎(chǔ),在這種情況下,將附加壓力視為很小或等于零,這與實(shí)際不符.由于基坑面積大,基坑開挖造成坑底回彈,建筑物荷重增加到一定程度時(shí),基礎(chǔ)仍然有沉降變形,即回彈再壓縮變形.為了使沉降計(jì)算與實(shí)際變形接近,采用總荷載作為地基沉降計(jì)算壓力比用附加壓力P0計(jì)算更趨合理,且對(duì)大基礎(chǔ)是適宜的.這一方面近似考慮了深埋基礎(chǔ)(或補(bǔ)償基礎(chǔ))計(jì)算中的復(fù)雜問(wèn)題,另一方面也解決了大面積開挖基坑坑底的回彈再壓縮問(wèn)題.因此《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(JGJ6—99)除規(guī)定采用室內(nèi)壓縮模量ES計(jì)算沉降量外,又規(guī)定了按壓縮模量E0(采用野外載荷試驗(yàn)資料算得壓縮模量E0,基本上解決了試驗(yàn)土樣擾動(dòng)的問(wèn)題,土中應(yīng)力狀態(tài)在載荷板下與實(shí)際情況比較接近)計(jì)算沉降量的方法.設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)工程的具體情況選擇其中一種方法進(jìn)行沉降計(jì)算.按平面布置規(guī)則,立面沿高度大體一致的單幢建筑物,當(dāng)基底壓縮土層范圍內(nèi)沿豎向和水平方向土層較均勻時(shí),基礎(chǔ)的縱向撓曲曲線的形狀呈盆狀形,即“∪”狀.在研究建筑物荷載的水平分布規(guī)律時(shí):對(duì)于筏板基礎(chǔ),可將筏板劃分為許多小單元,如果不考慮各小單元之間的相互影響,單位面積承受的荷載重量(基底應(yīng)力曲線)與基礎(chǔ)的縱向撓曲曲線的形狀相吻合,即也呈“∪”狀.這說(shuō)明建筑物四周各點(diǎn)沉降量受到其它各點(diǎn)荷載的影響較小,中部各點(diǎn)沉降量受到其它各點(diǎn)荷載的影響較大;若將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成整片筏板基礎(chǔ),勢(shì)必造成在相同的地基承載力下,中部沉降量大,而四周沉降量較小,基底土變形不相協(xié)調(diào).試驗(yàn)表明[4]:剛性筏板在試驗(yàn)荷載下主要是整體沉降,撓曲變形極小,最大也未超過(guò)3‰;而有限剛度筏板基礎(chǔ)則除了整體沉降外還產(chǎn)生撓曲變形,筏板剛度不同,撓曲程度也不同.在筏板厚度相同的情況下,隨著長(zhǎng)×寬(以矩形為例)的增加,筏板的剛度隨之降低.因此設(shè)計(jì)中可選取“板式筏基+獨(dú)立柱基”相結(jié)合的基礎(chǔ)形式,即中部(電梯井等剪力墻集中處)用筏基,四周柱基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)或聯(lián)合基礎(chǔ).使筏板的長(zhǎng)×寬尺寸減小、剛度增大,這不僅降低沉降變形的撓曲程度,提高筏板的抗沖切能力,同時(shí),減低了板中鋼筋應(yīng)力,減少筏基的配筋量.為協(xié)調(diào)各部分的變形,使其趨于一致,還可通過(guò)變形驗(yàn)算調(diào)整獨(dú)立柱基的面積.既滿足結(jié)構(gòu)使用要求,又達(dá)到相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益.在基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)中,應(yīng)結(jié)合工程的具體情況,考慮多方面的因素影響,充分利用天然地基的承載能力,通過(guò)比較“整片筏基”與“板式筏基+獨(dú)立柱基”的工程造價(jià).以上2種不同基礎(chǔ)形式,后者較前者節(jié)省約30%～40%的費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著.當(dāng)由于地層分布不均勻、上部結(jié)構(gòu)荷載在筏板基礎(chǔ)上分布不均勻而引起筏板基礎(chǔ)各部分的差異沉降較大時(shí),可綜合考慮采用以下處理措施:

(1)將出露地質(zhì)較差的土層挖出一部分,換填低強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土形成素混凝土厚墊塊,以改變和調(diào)整地基的不均勻變形.也可以采用“換填法”,墊層采用碎石、卵石等材料,經(jīng)碾壓或振密處理,提高基礎(chǔ)的承載能力;

(2)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)荷載或柱網(wǎng)間距,減小基底壓力差;

(3)調(diào)整筏板基礎(chǔ)形狀和面積,適當(dāng)設(shè)置懸臂板,均衡和降低基底壓力;

(4)加強(qiáng)底板的剛度和強(qiáng)度,在大跨度柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶或暗梁等.

3　筏板基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筏板基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)形式有平板式筏基和肋梁式筏基,包括等厚度或變厚度底板和縱橫向肋梁.一般情況下宜將基礎(chǔ)肋梁置于底板上面,如果地基不均勻或有使用要求時(shí),可將肋梁置于板下,框架柱位于肋梁交點(diǎn)處.在具體筏基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮如下問(wèn)題:

(1)應(yīng)盡量使上部結(jié)構(gòu)的荷載合力重心與筏基形心相重合,從而確定底板的形狀和尺寸.當(dāng)需要將底板設(shè)計(jì)成懸挑板時(shí),要綜合考慮上述多方面因素以減小基礎(chǔ)端部基底反力過(guò)大而對(duì)基礎(chǔ)彎距的影響;

(2)底板厚度由抗沖切和抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算確定.柱網(wǎng)間距較大時(shí)可在柱間設(shè)置加強(qiáng)板帶(暗梁加配箍筋)來(lái)提高抗沖切強(qiáng)度以減少板厚,也可采用后張預(yù)應(yīng)力鋼筋法來(lái)減少混凝土用量和造價(jià).決定板厚的關(guān)鍵因素是沖切,應(yīng)對(duì)筏基進(jìn)行詳細(xì)的沖切驗(yàn)算;

(3)無(wú)肋梁筏板基礎(chǔ)的配筋可近似按無(wú)梁樓蓋設(shè)柱上板帶和跨中板帶(倒樓蓋法)的計(jì)算方法進(jìn)行,精確計(jì)算可用有限元法;對(duì)肋梁式筏基,當(dāng)肋梁高度比板厚大得較多時(shí),可分別計(jì)算底板和肋梁的配筋,即底板以肋梁為固定支座按雙向板計(jì)算跨中和支座彎矩,并適當(dāng)調(diào)整板跨中和支座的配筋;

(4)構(gòu)造配筋要求:筏板受力筋應(yīng)滿足規(guī)范中0.15%的配筋率要求,懸挑板角處應(yīng)設(shè)置放射狀附加鋼筋等.設(shè)計(jì)人員往往配置受力鋼筋有余,構(gòu)造鋼筋卻配置不足.

4　筏板基礎(chǔ)抗浮錨桿的設(shè)置

不少設(shè)計(jì)人員擔(dān)心地下水位對(duì)底板的浮托力而設(shè)置抗拔錨桿,在這里作如下分析和討論.

(1)施工過(guò)程中浮托力的產(chǎn)生是由于基坑內(nèi)積水(雨水和施工用水或地下水滲透)所致;浮托力的大小與地下室的體積和基坑內(nèi)積水高度有關(guān).因此,只要能在地下室施工過(guò)程中有序排水或限制水位,在基礎(chǔ)底板底以下就不會(huì)產(chǎn)生浮托力.

(2)地下室上浮是因?yàn)榈叵率医Y(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)的荷載重量不足以克服地下水的浮力,當(dāng)筏板基礎(chǔ)底板上的結(jié)構(gòu)重量大于實(shí)際上浮力后,整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就能穩(wěn)定.因此在地下室和地面上相應(yīng)有限幾層的結(jié)構(gòu)完成后,就可以克服地下水的上浮力,不需要在整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)水位保持警惕.

(3)在計(jì)算地下水的浮托力時(shí)因注意:筏基底板所承受的浮托壓力只是底板與地基巖土的縫隙水壓力、孔隙水壓力,板承受的浮托力與地基巖土的縫隙發(fā)育程度、孔隙率有關(guān),其實(shí)際壓力強(qiáng)度小于靜水壓強(qiáng).其次,底板的水承壓面積并非全部.由于底板與地基巖土已粘結(jié)成整體,因而能提供一定的粘結(jié)(抗拔)力.有關(guān)試驗(yàn)資料認(rèn)為有效粘結(jié)面積占底板面積最小比率為K=50%,而粘結(jié)強(qiáng)度最低為250kpa(相當(dāng)于毛石砌體與M10沙漿間的抗拉力).K值是一重要因素,應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定.浮托力的估算:當(dāng)K=50%～100%時(shí),

如地下水位為-2.0m的10m深地下2層的基坑,當(dāng)?shù)装搴穸?600mm,頂板單位荷重為1600kg,則單位面積的浮托力T和地下室結(jié)構(gòu)重量W分別為:

T=80×(50%～100%)=40.0kpa～80.0kpa

W=1.6×25+16×2=72.0kpa

從以上分析和討論可見(jiàn),即使按K=1計(jì)算使浮托力T最大,T與W的差值也只有8.0kpa,待地面上再施工1～2層后,就能保持整體平衡,因此只要在地下室施工過(guò)程中能保持基坑干燥,基礎(chǔ)和地下室結(jié)構(gòu)及地上2層結(jié)構(gòu)施工完成后,就可放棄對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè),從施工過(guò)程來(lái)看是無(wú)需設(shè)置抗浮錨桿的.對(duì)于一些地下室較大、較深而地面以上結(jié)構(gòu)層數(shù)不多的建筑,則應(yīng)根據(jù)上述總體平衡的原則計(jì)算確定抗浮錨桿.對(duì)于地下室面積較大而主體塔樓面積較小的建筑,應(yīng)驗(yàn)算裙房部位的浮托力能否與結(jié)構(gòu)自重相平衡,否則也應(yīng)設(shè)置抗浮錨桿.在底板配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意到由于水的浮托力使底板產(chǎn)生的彎矩,當(dāng)板下不設(shè)置抗浮錨桿時(shí)應(yīng)全面考慮浮托力產(chǎn)生的彎矩,當(dāng)?shù)装逶O(shè)置抗浮錨桿后則可適量減少底板的配筋量.

5　裙房基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

由于裙房的單柱荷載與高層主樓相比要小的多,因此無(wú)需采用厚筏基礎(chǔ),采用薄板配柱下獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)即可.這里需要強(qiáng)調(diào)的是,裙樓獨(dú)立柱基的沉降與主樓筏板基礎(chǔ)的沉降要相協(xié)調(diào),即控制沉降差在允許值范圍內(nèi).應(yīng)根據(jù)公式計(jì)算主樓沉降量S,再按各柱的荷載N值和S值反算出各獨(dú)立柱基礎(chǔ)的面積A(尚應(yīng)驗(yàn)選地基承載力).

6　結(jié)束語(yǔ)

高層建筑基礎(chǔ)選型是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分,直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工難度和工期,因此應(yīng)認(rèn)真研究場(chǎng)地巖土性質(zhì)和上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定.高層建筑的基礎(chǔ)選型應(yīng)因地制宜,除基礎(chǔ)應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范允許的沉降量和沉降差的限值外,整體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合規(guī)范對(duì)強(qiáng)度、剛度和延性的要求,選用樁基或筏基都不是絕對(duì)的,而安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理才是基礎(chǔ)選型的標(biāo)準(zhǔn).