柱下獨立基礎沖剪破壞的設計建議

韓　雷　（湖北天一建筑設計有限公司，湖北　武漢　430059）

柱下獨立基礎沖剪破壞的設計建議

韓雷（湖北天一建筑設計有限公司，湖北武漢430059）

文章通過對柱下獨立基礎沖切與剪切破壞機理的分析，并結合實際工程的設計方法，提出獨立基礎的設計建議。

獨立基礎；沖切；剪切；設計

1　概述

柱下獨立基礎是工程中一種常見的天然基礎，以其形式簡單、經濟節約、施工方便等優點被廣泛采用。柱下獨立基礎常見的破壞形式可以分為沖切破壞和剪切破壞。這兩種破壞形式的機理很類似，很多設計人員對沖切與剪切的概念并沒有充分的理解，在設計時往往依賴于結構設計軟件。但是軟件畢竟不是萬能的，如果設計人員本身沒有很深的理解，可能會造成設計事故，影響工程安全。本文通過對沖切與剪切破壞機理的分析，結合實際工程的演算，希望能加深設計人員對沖切與剪切概念的理解，并提出一些設計建議，為柱下獨立基礎沖剪破壞計算提供參考。

2　沖切破壞與剪切破壞的機理

下圖1［1］為剪切破壞時斜裂縫的四種常見形式。

圖1　剪切破壞時斜裂縫的四種常見形式

混凝土構件斜截面受剪的計算模型為桁架，上部混凝土受壓，下部混凝土受拉。當荷載足夠大時，下部混凝土中的拉應力會超過混凝土的極限抗拉強度，裂縫也隨之產生。一旦產生，由于應力集中現象，裂縫會沿著45°角往上部迅速發展，最終導致結構的破壞。

圖2［2］為沖切破壞的示意圖。

圖2　沖切破壞的示意圖

混凝土構件的沖切破壞表現為沖切錐體相對于構件邊緣部分發生位移。在柱底集中力作用下，基礎內產生正應力和剪應力，尤其在柱四周產生較大的拉應力，當拉應力超過混凝土極限抗拉強度時，柱四周出現與底面呈45°并向底部擴展的斜裂縫，在基礎內形成錐體形破壞。

對比發現，剪切和沖切其實是斜截面破壞的兩種形式，都是剪力起控制作用的破壞，外國文獻一般將二者都稱為“shear”，但從破壞模式上來看，二者還是有區別的。剪切破壞具有平面特點，沖切破壞則具有明顯的三維空間特征［3］。板的尺寸、支承方式以及荷載的大小都是影響兩種破壞形式的因素。

3　工程實例

3.1工程概況

本工程為一棟11層的框架剪力墻結構住宅，屬A級高度的高層建筑。抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，框架的抗震等級為四級，剪力墻的抗震等級為3級。場地類別為Ⅱ類，基礎形式采用柱下獨立基礎，基礎的持力層為中風化粉砂巖，修正后的地基承載力特征值fa=1800kPa，其中一根框架柱上部結構傳至基礎上的按正常使用極限狀態下作用的標準組合為Fk=2700kN，框架柱截面尺寸為500mm× 500mm，混凝土標號為C30（ft=1.43MPa），縱向受拉鋼筋為HRB400級鋼筋，鋼筋保護層厚度為as=40mm。

3.2計算過程

3.2.1承載力計算

根據 《地基基礎設計規范》（GB50007-2011）（以下簡稱地基規范）第5.2.1及5.2.2條。

經初算后取基礎底邊長a=1300mm，基礎高度h=400mm，基礎頂面覆土取2000mm，算得（Fk+Gk）/A=1643.6kPa＜fa，滿足要求。

3.2.2沖切驗算

根據地基規范第8.2.8條，柱下獨立基礎的受沖切承載力應按下列公式驗算：

經計算，F1=pj×A1=108.7kN＜0.7β×hp×ft×am× h0=309.9kN，滿足要求。

3.2.3剪切驗算

由于基礎底面短邊尺寸a=1300mm＞柱寬加2倍基礎有效高度500+2×（400-40）=1220mm，該基礎可不進行受剪承載力驗算。

抗彎承載力和局部受壓承載力計算工程本文不再贅述。一般情況下，獨立基礎的設計過程到此結束。

4　深入探討

《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）第6.3.3條規定：不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構件，其斜截面受剪承載力應符合下列規定：

地基規范附錄U.0.1規定，對于階梯型承臺應分別在變階處和柱邊處進行斜截面受剪計算。

這兩條都是普適性的規定，并沒有表明基礎尺寸會對計算有影響。在此我們不妨嘗試進行受剪承載力的驗算。

根據地基規范第8.2.9條，當基礎底面短邊尺寸小于或等于柱寬加兩倍基礎有效高度時，應按下列公式驗算柱與基礎交接處截面受剪承載力：

對于上述的獨立基礎，經計算：

Vs=pj×1.3×0.4=1121.5kN＞0.7βhs×ft×A0=0.7× 1×1430×1.3×0.4=520.5kN

抗剪承載力不滿足。

因此，地基規范8.2.8、8.2.9條的條文解釋中的“符合本規范要求的雙向受力獨立基礎，其剪切所需的截面有效面積一般都能滿足要求，無需進行受剪承載力驗算”是值得推敲的，雙向受力的獨立基礎，不僅可能發生沖切破壞，還可能發生剪切破壞。

對于這個問題，廣東省《建筑地基基礎設計規范》（DBJ15-31-2003）中關于沖切與剪切的計算規定也印證了筆者的想法，該規范第9.2.7條的條文解釋中明確提出了“對于雙向受力的柱下單獨基礎應驗算控制截面的受沖切承載力，必要時應驗算抗剪承載力”，同時列出了僅需驗算抗沖切承載力的界限條件。

另外美國規范ACI318和歐洲規范EN1992中都沒有根據基礎短邊尺寸與柱寬加2倍基礎有效高度的關系分別進行沖切與抗剪驗算的規定。

同時，在工程實際中，獨立基礎之間往往是有基礎梁聯系的。在基礎梁的約束下，獨立基礎的破壞并不會像理論上那樣簡單。對于沖切破壞，基礎梁的鋼筋會限制斜裂縫的發展，延緩基礎的錐狀空間式破壞。在這種情況下，基礎的破壞是由于角部混凝土的剪切破壞。

5　結　語

通過以上的分析，筆者建議在進行獨立基礎的設計時，對于底面短邊尺寸大于柱寬加2倍基礎有效高度的雙向受力基礎，除了按規范要求進行沖切承載力的驗算，還應該驗算抗剪承載力作為補充參考。對于底面短邊尺寸小于或等于柱寬加2倍基礎有效高度的雙向受力基礎，僅需要計算抗剪承載力。

［1］楊蕓.鋼筋混凝土平板結構沖切破壞與剪切破壞的研究［D］.淮南：安徽理工大學，2009.

［2］梁發云，賈承岳，姚笑青.柱下獨立基礎沖切與剪切破壞概念辨析［J］.高等建筑教育，2011（5）.

［3］李榮年.擴展基礎沖剪破壞特征和計算方法研究［D］.中國建筑科學研究院，2013.

［4］GB50007-2011，地基基礎設計規范［S］.

［5］GB50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［6］DBJ15-31-2003，建筑地基基礎設計規范［S］.

TU470

B

1007-7359（2016）04-0160-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.063

韓雷（1989-），男，湖北武漢人，畢業于華中科技大學，學士，助理工程師。