1、基础工程Foundation engineering刘海龙2016年9月,一般情况下,柱下应先考虑设置独立基础在柱荷载较大、各柱之间荷载差异过大、地基承载力低或地基土不均匀土质变化大等不利条件下,若独立基础无法满足要求时,可考虑采用柱下条形基础、筏形基础或箱形基础等,柱下条形基础,当地基较为软弱、柱荷载较大或者分布不均匀,基础可能产生较大沉降时,将若干个柱下独立基础连成整体。抗弯性能和抗剪性能良好,具有较大调节不均匀沉降的能力。,柱下交叉条形基础:两个方向均为条形基础,双向抗弯刚度均较大,抵抗双向不均匀沉降能力强。连梁式交叉条形基础:一个方向为条形基础,另一个方向为联系梁,联系梁用于提高基础的
2、整体刚度。,筏板基础:将建筑物的柱子和墙体下方做成满堂的基础。基础底面积大,刚度大,抵抗不均匀沉降能力强,整体性好。地下空间可以充分利用,功能布局容易。作为软弱地基上重要结构物的基础型式。根据基础刚度的要求,可以分为平板式筏板(等厚度)和梁板式筏板(下翻地梁)。造价相对较高。多用于框架、框架剪力墙、剪力墙等高层结构,烟囱的圆形变厚度筏板基础,箱形基础:由钢筋混凝土底板、顶板、外墙和内隔墙组成的有一定高度的整体空间结构。基础整体刚度很大,抵抗不均匀沉降能力非常强,一般基础只会发生均匀沉降及倾斜变形。由于众多内墙存在,地下空间功能布局较困难。作为软弱地基上重要结构物的基础型式。造价较高。,土与结构
3、相互作用理论,上部结构-基础-地基共同作用:上部结构、基础、地基之间满足力和变形的协调,KM1,Kz1,Kx1,KM2,Kz2,Kx2,KM3,Kz3,Kx3,P1, M1 P2, M2 P3, M3,KM, Kz, Kx上部结构凝聚到基础顶面的抗弯,抗压和抗水平变形刚度,P,M上部结构传递到基础顶面的轴力,弯矩等,土与结构相互作用理论,简化设计方法:将整体结构分离出上部结构、基础、地基,分别进行受力计算上部结构:假定上部结构柱(墙)脚为固接。采用结构力学、弹性力学方法计算上部结构内力,以及柱(墙)脚的反力(轴力、剪力、弯矩等)基础:假定基底反力线性分布。将柱(墙)脚的反力作为反向荷载作用于基
4、础上,根据基础上的荷载与基底反力力的平衡条件(合力相同,作用力相同),获得基底反力分布。按照材料力学或者弹性力学方法计算基础的内力及变形,进行基础配筋设计地基:假定基础为柔性,将基底压力(与基底反力大小相等,方向相反)作用于地基上,验算地基承载力,计算地基沉降,=,+,上部结构,基础,地基,柱荷载P,M,基底反力 p,上部结构荷载,+,土与结构相互作用理论,简化设计方法:满足了上部结构、基础、地基三者之间力的平衡不满足三者之间变形协调计算方法简单,可以采用手工计算所获得的上部结构、基础和地基的反力及变形与实际情况有差异简化设计方法的适用条件:(1)上部结构布置均匀,对沉降要求不敏感(2)基础刚
5、度较大。基础刚度大,基础不均匀沉降小,对上部结构的影响小 (3)地基沉降较小或者较均匀。如果地基不均匀沉降较大,就会在上部结构中引起很大附加内力,导致结构设计不安全,基础刚度对基底反力的影响,柔性基础基底反力分布:柔性基础抗弯刚度很小,不能抵抗弯矩,基础不能扩散应力。基础底面的反力分布与荷载分布完全一致。,刚性基础基底反力分布:刚性基础抗弯刚度很大,基础不发生出平面变形(挠曲变形)。基础具有调节地基反力分布的能力,基础底面反力分布与荷载分布不一致。,架越作用,基础相对刚度越大,架越作用越明显(基础边缘反力大,中间反力小)。相同基础刚度情况下,荷载水平越大,基础反力分布越接近线性;荷载水平越小,
6、基础边缘反力与中心反力分布越不均匀。,基底反力分布与基础刚度(包括上部结构刚度)、地基刚度(压缩性)、地基土种类(粘土,砂土)、埋深、荷载水平有关。,基础刚度对基底反力的影响,地基变形对上部结构内力影响,完全柔性结构(极端情况,相对刚度=0) 木结构、土堤、钢筋混凝土排架结构等,地基变形对上部结构不产生附加应力,上部结构没有调整地基不均匀变形的能力,对基础的挠曲没有制约作用,即上部结构不参与地基、基础的共同作用,基础间沉降差不会引起主体结构的次应力敏感性结构 砖石砌体承重结构和钢筋混凝土框架结构等,对基础间沉降差较敏感,很小的沉降差足以引起可观的次应力,结构容易出现开裂刚性结构(极端情况,相对
7、刚度无穷大) 基础转动倾斜,几乎不会发生相对挠曲(剪力墙、核心筒、烟囱水塔等)基础刚度 基础刚度越大,挠曲越小,上部结构的次应力越小 对于高压缩性地基上框架结构,基础刚度一般宜刚不宜柔;柔性结构,在满足允许沉降值的前提下,基础刚度宜小不宜大,上部结构、基础、地基之间相互作用分析中构筑物和地基之间相对刚度比是重要影响因素,上部结构刚度对地基内力影响,完全刚性结构 对条形基础变形来说,相当于在柱位处提供了不动支座;在地基反力作用下,犹如倒置的连续梁,如剪力墙体系、筒体结构等完全柔性结构 对条形基础变形无制约作用,如单层排架、静定结构上部结构刚度 增大上部结构刚度,将上部荷载向沉降小的部位传递,减小
8、基础挠曲和内力 在地基-基础-上部结构相互作用中起主导作用的是地基,其次是基础,而上部结构在压缩性地基上基础整体刚度有限时起重要作用,在同一整体大面积基础上建有多栋高层和低层建筑,应该考虑上部结构、基础与地基的共同作用建筑地基基础设计规范,杭州市民中心,大底盘基础(6座高层建筑坐落在同一个筏板基础),柱下钢筋混凝土条形基础构造要求,柱下钢筋混凝土条形基础内力计算,弹性地基梁方法文科勒法:假定地基中任一点荷载P与该点地基沉降s成正比,比例系数k称为基床反力系数(物理模型:弹性土弹簧上连续梁)缺陷:计算沉降只在基础范围内,与实际不符(未考虑附加应力扩散效应)适用条件:抗剪强度很低的半液态土地基(如
9、淤泥、软粘土等)或塑性区相对较大土层上的柔性地基半无限弹性体法:假定地基为半无限弹性体,柱下条形基础为放在弹性体表面的梁优点:能考虑附加应力扩散效应对地基沉降的影响,变形不局限于基础范围内缺点:未考虑地基成层性,计算深度过大使得计算结果往往偏大适用条件:压缩层厚度较大的一般土层上的柔性基础,荷载不能很大(尽量接近弹性状态),柱下钢筋混凝土条形基础内力计算,简化内力计算方法(基底净反力简化为线性分布)倒梁法:假定基础就相对地基绝对刚性,各柱之间无沉降差异(物理模型:固定支座的铰支梁)只考虑柱间基础的局部弯曲,不考虑基础的整体弯曲适用条件:地基较均匀,上部结构刚度较好,荷载分布均匀,且基础梁高度大于1/6柱距(注意对边跨处弯矩的修正,考虑架越作用的影响)剪力平衡法:假定地基反力直线分布,在得到基底净反力后根据静力平衡条件计算各截面弯矩和剪力缺点:未考虑基础与上部的相互作用,弯矩计算结果往往偏大适用条件:上部为柔性结构且自身刚度较大的条形基础,