柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的教學(xué)探討

王 宇 輝

(上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

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柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的教學(xué)探討

王 宇 輝

(上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了學(xué)生在柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中常犯的錯(cuò)誤，甚至個(gè)別教材例題中存在的問題，總結(jié)了在該部分內(nèi)容的教學(xué)過程中應(yīng)重點(diǎn)向?qū)W生講解的概念，并指出了教學(xué)中應(yīng)達(dá)到的深度和注意事項(xiàng)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

柱下鋼混獨(dú)立基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地基承載力，教學(xué)深度

柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)是能在較小的埋深內(nèi)，把底面擴(kuò)展到所需的底面積，是最常用的基礎(chǔ)類型。所以柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)工程這門課程中教學(xué)的重點(diǎn)，也是要求學(xué)生掌握的重點(diǎn)內(nèi)容。但在多年的教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在設(shè)計(jì)這類基礎(chǔ)時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤經(jīng)常是共性的，甚至個(gè)別教材例題中也會(huì)出現(xiàn)一些小的問題，鑒于這樣的情況，作者對這些共性的問題做了分析總結(jié)，提出了在教學(xué)中應(yīng)該向?qū)W生重點(diǎn)陳述清楚的概念，應(yīng)該達(dá)到的教學(xué)深度，以及教學(xué)中的注意事項(xiàng)。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容

柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括了三個(gè)部分：1)選擇基礎(chǔ)埋深；2)確定基礎(chǔ)底面尺寸；3)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定基礎(chǔ)的高度和基礎(chǔ)的配筋。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算中的易錯(cuò)問題及教學(xué)對策

2.1 選擇基礎(chǔ)埋深

選擇基礎(chǔ)埋深，也即選擇滿足地基穩(wěn)定和變形條件的持力層。

2.2 確定基底尺寸

根據(jù)地基承載力驗(yàn)算，確定基礎(chǔ)底面尺寸要滿足以下條件：如果是中心受荷，只需滿足式(1)即可；如果是偏心受荷，需要同時(shí)滿足式(1)和式(2)[1]。

pk≤fa

(1)

pkmax≤1.2fa

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，Nk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，作用在基礎(chǔ)底面上的所有豎向力的合力；Mk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)所有荷載對基底形心的合力矩；e為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，作用在基礎(chǔ)底面上的豎向合力的偏心距。

這一步，容易出現(xiàn)問題，需重點(diǎn)講解的概念有以下幾個(gè)：

1)這里所用的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，相應(yīng)的抗力應(yīng)采用地基承載力特征值。

2)埋深d的含義：在求基礎(chǔ)和回填土的重量時(shí)，用的埋深是從基底到設(shè)計(jì)地面的高度，當(dāng)室內(nèi)外設(shè)計(jì)地面高度不一樣時(shí)，可取其平均值，即平均埋深。而在求基底附加應(yīng)力時(shí)，p0=pk-γ0d，此處用到的埋深是從基底到天然地面的高度。

這里的兩個(gè)埋深表達(dá)上是相同的，都是埋深，但在計(jì)算時(shí)卻不一樣。在求基礎(chǔ)和回填土的重量時(shí)，因?yàn)樯婕暗交靥钔粒菍?yīng)的一定是室內(nèi)外的設(shè)計(jì)地面標(biāo)高；而在算基底附加應(yīng)力時(shí)，這里要扣除開挖卸除掉的土的重力，所以這里是從天然地面開挖的，對應(yīng)的是天然地面標(biāo)高。

3)基礎(chǔ)和回填土的平均重度γG和基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)土的重度γ0，都應(yīng)該注意如果位于地下水位以下時(shí)，位于水位以下的重度應(yīng)該采用有效重度。

4)單向偏心受壓下基底壓力計(jì)算時(shí)，因?yàn)椴煌慕滩脑诮o出公式時(shí)由于偏心的方向不同，所以公式的形式也不同，為了避免學(xué)生不求甚解，死記硬背，亂套公式。應(yīng)向?qū)W生解釋清楚公式的推導(dǎo)過程，對于土木工程的學(xué)生而言，因?yàn)橛休^好的力學(xué)基礎(chǔ)，理解壓彎組合時(shí)，求最大、最小應(yīng)力的過程，是不困難的。所以這里老師要講清楚公式的來歷，特別注意涉及到的兩個(gè)概念，豎向合力的偏心距e和抗彎截面模量W。

偏心距的計(jì)算一定用的是總彎矩除以總豎向合力得出的。而抗彎截面模量W的大小是與偏心方向有關(guān)的，應(yīng)區(qū)分為Wx和Wy。

另外在這里，也要提示學(xué)生思考偏心在基礎(chǔ)的L方向和b方向時(shí)，什么方向是比較有利的。顯然是偏心在L方向，計(jì)算得出的pkmax是較小的，是有利的。所以，多數(shù)教材中給出的公式是偏心在L方向的。

還應(yīng)該提示學(xué)生注意：

當(dāng)e≤L/6時(shí)，計(jì)算pkmax用式(4)；當(dāng)e>L/6時(shí)，計(jì)算pkmax用式(5)。

特別是，當(dāng)e>L/6，計(jì)算基底平均壓力pk時(shí)，也不能再用式(3)計(jì)算出的結(jié)果。因?yàn)楹奢d發(fā)生了重分布，荷載不再是發(fā)生在全部的基底，而是部分基底，所以此處的基底平均壓力pk=pkmax/2。這也是學(xué)生經(jīng)常出錯(cuò)的地方。

5)地基承載力驗(yàn)算時(shí)，在有軟弱下臥層時(shí)，不僅要驗(yàn)算持力層的地基承載力是否滿足要求，還應(yīng)驗(yàn)算軟弱下臥層的承載力是否滿足要求。

2.3 基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即基礎(chǔ)截面的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，主要包括基礎(chǔ)截面的抗沖切驗(yàn)算和抗彎驗(yàn)算，由抗沖切驗(yàn)算確定基礎(chǔ)的合適高度；由抗彎驗(yàn)算確定基礎(chǔ)底板的雙向配筋[2]。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，會(huì)用到以下公式。

FL≤0.7βhpftbmh0

(6)

FL=pjA1

(7)

FL=pjmaxA1

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

這一步，容易出現(xiàn)問題需重點(diǎn)講解的概念有以下幾個(gè)：

1)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載效應(yīng)組合和相應(yīng)的基底反力，應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，采用相應(yīng)的荷載分項(xiàng)系數(shù)。

2)基底壓力是指基底凈反力pj。這里之所以采用基底凈反力，是因?yàn)榛A(chǔ)和上覆土重產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力對基礎(chǔ)的沖切力和彎矩沒有貢獻(xiàn)。

這里用到的凈反力，需重新計(jì)算。

在中心受荷的情況下，地基凈反力計(jì)算用式(9)，沖切力用式(7)。如果是單向偏心，地基凈反力的最大值計(jì)算用式(10)，沖切力用式(8)。另外如果用到偏心距e0，偏心距也應(yīng)重新計(jì)算。學(xué)生在這一步的計(jì)算中經(jīng)常出錯(cuò)，究其原因，主要是學(xué)生對F，M，e0的含義理解的不夠透徹，所以教師在講解時(shí)，概念要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，并且要舉計(jì)算實(shí)例，加深學(xué)生的理解。

F為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面上的所有豎向力的合力(不包括基礎(chǔ)和回填土的重量)；M為相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，基礎(chǔ)所有荷載對基底形心的合力矩；e0為荷載的凈偏心距，e0=M/F。

3)在抗彎驗(yàn)算中，中心受荷的情況下，最不利截面的彎矩計(jì)算用式(11)和式(12)；在單向偏心時(shí)，彎矩計(jì)算用式(13)和式(14)。獨(dú)立基礎(chǔ)兩個(gè)方向都需要配置鋼筋，在這里應(yīng)提示學(xué)生思考兩個(gè)方向的鋼筋哪個(gè)方向的應(yīng)配置在最下層，這樣就理解了式(15)和式(16)的不同。

4)抗沖切驗(yàn)算和抗彎驗(yàn)算的公式較多，但力學(xué)意義明確，所以教師應(yīng)該根據(jù)剪力和彎矩的計(jì)算方法，讓學(xué)生掌握公式的推導(dǎo)過程，這樣學(xué)生就沒必要記憶繁雜的公式，而且用起來更得心應(yīng)手。

3 結(jié)語

本文以柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)為例，就設(shè)計(jì)計(jì)算中學(xué)生常犯的錯(cuò)誤做了總結(jié)，并分析了教學(xué)對策，提出了在教學(xué)中應(yīng)該向?qū)W生重點(diǎn)陳述清楚的概念以及應(yīng)該達(dá)到的教學(xué)深度。

教學(xué)是教與學(xué)的結(jié)合，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)注重學(xué)生的主動(dòng)與被動(dòng)反饋，并及時(shí)總結(jié)問題，分析對策，以期達(dá)到改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

[1] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 趙明華.基礎(chǔ)工程[M].北京：高等教育出版社，2010:47.

Teaching discussion on the design of reinforced concrete individual foundation under column

Wang Yuhui

(CollegeofCivilEngi.,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai201418,China)

After years of teaching practice,analysis of the students’ common mistakes in the design process,even some problems in the textbook examples,the author summarizes the key concepts on the design of reinforced concrete pad foundation under column,which should be clearly stated to the students,and points out the depth of teaching that should be reached and the matters needing attention,to improve the teaching quality.

reinforced concrete individual foundation under column,structure design,bearing capacity of foundation,teaching depth

1009-6825(2016)29-0235-02

2016-08-04

王宇輝(1974- )，女，碩士，講師

G642.0

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