淺談整體式基礎設計中的幾個問題

談云翔

駐馬店市建筑勘察設計院有限公司（463000）

生產技術

淺談整體式基礎設計中的幾個問題

談云翔

駐馬店市建筑勘察設計院有限公司（463000）

整體式基礎因其自身在平面外剛度的有限性，在上部結構不均勻荷載作用下容易產生較大的變形差，導致筏板內力和配筋量的增加。在基礎設計時，可考慮上部結構剛度對其的影響，即考慮基礎與上部結構共同作用，使基礎平面外剛度得到加強，從而大幅提高抵抗上部結構傳來的不均勻荷載的能力，減少變形差，使得構件的內力與配筋相應變小，達到的經濟合理的設計要求。

上部結構剛度；整體式基礎；柱墩

1 上部結構剛度在整體式基礎設計中的應用

對于整體式基礎結構（如筏板基礎、柱下條形基礎、樁筏基礎等），因其自身在平面外剛度的有限性，在上部結構不均勻荷載作用下容易產生較大的變形差，導致筏板內力和配筋量的增加。根據現行《建筑地基基礎設計規范》GB 50007-2011第8.4.21條規定:在同一大面積整體筏形基礎上建有多棟高層和低層建筑時，筏板的厚度和配筋宜按照上部結構、基礎與地基土共同作用基礎變形和基底反力計算確定。第7.1.3條規定:軟弱地基設計時，應考慮上部結構和地基的共同作用。對建筑體型、荷載情況、結構類型和地質條件進行綜合分析，確定合理的建筑措施、結構措施和地基處理方法?！督ㄖ痘夹g規范》JGJ 94-2008中關于變剛度調平設計第2.1.10條的解釋:考慮上部結構形式、荷載和地層分布以及相互作用效應，通過調整樁徑、樁長、樁距等改變基樁支承剛度分布,使建筑物沉降趨于均勻、承臺內力降低。在基礎設計時，可考慮上部結構剛度對其的影響,即考慮基礎與上部結構共同作用，其原理是把上部結構的剛度疊加到基礎構件上，使基礎平面外剛度得到加強，從而大幅提高抵抗上部結構傳來的不均勻荷載的能力，減少變形差，使得構件的內力與配筋相應變小，使設計經濟合理性。

1.1 考慮上部結構剛度、基礎與地基的共同作用

JCCAD軟件可以讀取SATWE、PMSAP、TAT等上部結構軟件計算后傳到基礎的柱、墻內力，并能考慮上部結構剛度對基礎設計的影響。軟件對地基梁、筏板、樁筏等整體基礎，可采用上部結構剛度凝聚法、上部結構剛度無窮大的倒樓蓋法和上部結構等代剛度法等多種方法考慮上部結構對基礎的影響，其主要目的就是控制整體性基礎的非傾斜性沉降差，即控制基礎的整體彎曲。

上部結構剛度凝聚法是采用SATWE、PMSAP、TAT等上部結構軟件計算形成的上部結構剛度信息，根據相關構件，把它凝聚到下部基礎結構剛度矩陣中進行求解，其計算結果對于下部基礎而言就是上下部結構共同作用計算的理論解。使用該方法的前提條件是在進行TAT、PMSAP和SATWE計算時要選擇將剛度傳給基礎，生成“TATFDK.TAT”、“SATFDK.SAT”和“SAPSDK.SAP”的文件，如圖1所示。

圖1 SATWE計算控制參數

JCCAD軟件在進行樁筏、筏板有限元計算中關于上部結構剛度影響的選擇分四種情況，即不考慮TAT上部結構剛度、SATWE上部結構剛度和PMSAP上部結構剛度，如圖2所示。

圖2 樁筏計算中考慮上部結構影響選擇

在基礎梁板彈性地基梁法計算中關于上部結構剛度影響分五種情況考慮，如圖3所示。

圖3 基礎梁板彈性地基梁法計算方法

1）按普通彈性地基梁計算是指進行彈性地基梁結構計算時，不考慮上部結構剛度的影響。

2）考慮等代上部結構剛度的彈性地基梁計算:是指進行彈性地基梁結構計算時，可考慮一定的等代上部結構剛度的影響。上部結構剛度影響的大小可用上部結構等代剛度為基礎梁剛度的倍數來表達，該倍數主要與上部結構層數、結構跨數及地基梁與上部結構梁剛度比有關。

3）上部結構為剛性的彈性地基梁計算是指進行彈性地基梁結構計算時，將等代上部結構剛度考慮的非常大（200倍），以至于各節點的位移差很?。ú话ㄕw傾斜引起的位移差），如框支剪力墻結構,此時幾乎不存在整體彎矩，只有局部彎矩，其結構類似于傳統的倒樓蓋法。一般來說，如果跨度相差不大，考慮上部結構剛度后，各梁的彎矩相差不太大，配筋更加均勻了。

4）SATWE上部剛度進行彈性地基梁計算是SATWE或TAT計算的上部結構剛度用子結構方法凝聚到基礎上。該方法最接近實際情況，用于框架結構非常理想。選擇該項的條件是必須在計算SATWE或TAT時，選擇把剛度傳給基礎項，如果兩種數據都存在時，優先使用SATWE剛度。

5）普通梁單元剛度矩陣的倒樓蓋方式計算是采用傳統的倒樓蓋方法，梁單元取用了考慮剪切變形的普通梁單元剛度矩陣。一般來說，該方法計算的局部彎矩較彈性地基梁法大，但由于柱子、墻體的節點沒有豎向位移，因此沒有考慮到梁的整體彎矩，其計算結果明顯不同于彈性地基梁方法。

1.2 上部結構剛度在樁基承臺設計中的應用

在樁基承臺設計中，應用變剛度調平概念設計來減少差異變形，降低承臺內力和配筋，在具體實施中，就是要進行上部結構-基礎-地基（樁土）共同作用分析計算，計算沉降等值線、承臺內力和配筋，通過不斷的優化布樁，取得合理的結果。以下工程實例，分別給出了考慮或不考慮上部結構剛度時的基礎設計結果。

某小區商住樓，框支剪力墻結構，地上14層，無地下室，建筑高度45.30 m，抗震設防烈度6度，三類場地,基礎采用預應力混凝土管樁承臺基礎?？紤]上部結構剛度時樁反力相互間差別不大，沉降圖中各承臺間沉降差較小。不考慮上部結構剛度計算的樁反力差別較大，沉降圖中各承臺間沉降差較大。樁基承臺基礎設計時，上部結構剛度對于承載力和變形的影響十分明顯:不考慮上部結構剛度樁反力差異性較大，基礎的沉降差異也較大；考慮上部結構剛度后單樁反力更加均勻，差異沉降也減小。

考慮上部結構剛度后，計算結果不僅滿足荷載與抗力的整體平衡，也滿足荷載與抗力的局部平衡，從而有效減小差異沉降，降低承臺內力和配筋，使基礎設計更加經濟合理。

2 柱墩布置及對筏板配筋影響

工程設計中，對于平板式基礎而言，柱下（或墻下）受力較為集中，沖切計算結果有時不能滿足規范要求，《建筑地基基礎設計規范》第8.4.7條規定：當柱荷載較大，等厚度筏板的受沖切承載力不能滿足要求時，可在筏板上面增設柱墩或在筏板下局部增加板厚，或采用抗沖切箍筋來提高受沖切承載能力。在豎向構件下布置柱墩是一種比較常見的方法。新版的JCCAD軟件能夠實現上柱墩和下柱墩的布置與相關計算。以下將對JCCAD中上下柱墩的布置及計算做一些探討。

2.1 上柱墩與下柱墩的比較

工程中，底部與筏板頂部相齊平的柱墩為上柱墩，又稱底平形變厚度筏板，如圖4中的a圖所示。頂部與筏板底部相齊平的柱墩為下柱墩，又稱頂平形變厚度筏板，如圖4中的b圖和c圖所示。

圖4 上下柱墩

上柱墩通常有效剛性角范圍大，筏板底部鋼筋受力直接，利用率高，施工難度較小，可以節約混凝土用量，但對使用空間有不利影響。下柱墩有效剛性角范圍小，筏板底部鋼筋受力不直接，利用率低，施工難度較大，且質量難以保證。從結構設計角度出發，一般情況下，不宜采用普通下柱墩，如必須采用下柱墩時，也應該采用元寶形的下柱墩。

2.2 JCCAD中上下柱墩的布置及沖切計算

進入JCCAD中的“基礎人機交互輸入”后，在“上部構件”的“柱墩”菜單里能夠實現上下柱墩的定義。定義上柱墩時，端高與高尺寸相同時顯示為“矩形平墩”，端高尺寸小于高尺寸時顯示為“矩形錐墩”，如圖5所示。定義下柱墩時,在對話框中“坡度”一項填入90°，則是上面提到的普通下柱墩。如果“坡度”填入0°～90°之間的值，則是上面提到的元寶形下柱墩。要注意的是，如果填入的坡度值小于30°，程序會自動處理為30°坡。

圖5 柱墩尺寸

上下柱墩均分為剛性柱墩和柔性柱墩，當定義的柱墩截面尺寸符合剛性角要求時，即為剛性柱墩。一般情況下，剛性柱墩可以滿足柱對柱墩的沖切要求。柱墩尺寸是否滿足剛性角要求可以通過“查剛性角”菜單查看。如圖6所示，實線顯示的為上柱墩，虛線顯示的為下柱墩。如果不滿足剛性角要求，程序將在柱墩外畫紅圈顯示。不滿足剛性角要求的柱墩為柔性柱墩。如果下柱墩為剛性柱墩，此時整個柱墩在沖切范圍以內，將不能提高筏板基礎的抗沖切能力。其余下柱墩中的柔性柱墩及上柱墩均能提高筏板基礎的抗沖切能力。因此，在布置柱墩時，應該避免剛性下柱墩的出現。無論是剛性柱墩還是柔性柱墩，程序均在執行“柱沖切板”菜單時完成柱對柱墩、柱墩對板的沖切驗算，并輸出圖形與文本文件。值得注意的是，JCCAD對于帶有柔性下柱墩的柱沖切板的驗算，不僅考慮了柱對變厚度筏板的沖切破壞面，還考慮了筏板變厚度處的沖切破壞面，如圖7虛線所示。

圖6 柱墩尺寸

圖7 筏板變厚度處的沖切破壞面

2.3 柱墩對筏板內力計算的影響

剛性柱墩對筏板內力計算的影響：如果用戶在基礎交互建模布置了剛性柱墩，那么在筏板內力計算時不考慮它對筏板的影響，即樁筏筏板有限元程序在筏板內力計算時忽略剛性柱墩，但在筏板配筋計算時，程序將會剔除剛性柱墩范圍內的內力值，即僅選擇柱墩范圍外的內力值進行配筋。

柔性柱墩對筏板內力計算的影響：如果用戶在基礎交互建模布置了柔性柱墩，那么在樁筏筏板有限元計算中，程序將自動將其當做一塊變厚度筏板進行有限元分析。筏板內力計算時，給出這塊局部變厚度筏板的內力值、配筋值。變厚度筏板的配筋結果如圖8所示。

圖8 變厚度筏板的配筋結果

3 結論

在計算柱對筏板的沖切時，程序會根據柱墩尺寸區分是剛性還是柔性。若為柔性，則在沖切計算時考慮柱墩厚度對筏板沖切計算的有利作用。若為剛性柱墩，則不考慮柱墩厚度。在有限元計算時，程序都將柱墩視為變厚度筏板來對待，在配筋的時候考慮柱墩厚度的影響。

[1]JGJ 94-2008,建筑樁基技術規范[S].

[2]GB 50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].

[3]朱炳寅,婁宇,楊琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析[M].建筑工業出版社.

[4]獨基、條基、鋼筋混凝土地基梁、樁基礎和筏板基礎設計軟件用戶手冊[M].

[5]JCCAD S-5,中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司設計條件事業部[S].