筏形基础的计算机辅助设计

2011-10-09王永永

河北建筑工程学院学报 2011年2期

王永永

(张家口供电公司电力设计院,河北张家口075000)

1 概述

当设计上部结构荷载过大,采用柱下交梁基础不能满足地基承载力要求或虽然能够满足要求,但基底间净距很小,或要加强基础刚度,这时即可采用筏型基础.对于筏板基础的设计,手工计算很繁琐,所以可以直接采用PKPM软件的JCCAD对筏板进行设计.具体步骤为:

PKPM→JCCAD→地基资料输入→基础人机交互输入→建立新数据文件→参数输入(基本参数→地梁筏板)→荷载输入(读取荷载→SATWE)→基础布置(筏板→围区布板)→桩筏筏板四边有限元计算.

2 筏板设计原理

以下筏板设计原理及所用公式按照规范《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002以及规范《高层建筑箱形与筏形基础设计规范》JGJ6-99确定.

2.1 筏板类型确定

筏形基础分梁板式和平板式两种类型,应根据地基土质、上部结构体系、柱距、荷载大小以及施工等条件确定.本文以平板式筏形基础为例进行说明.

2.2 筏形基础平面尺寸确定

筏形基础的平面尺寸应根据地基土的承载力上部结,构的布置及荷载分布等因素按本规范第五章有关规定确定.对单幢建筑物,在地基土比较均匀的条件下,基底平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合.当不能重合时,在荷载效应准永久组合下,偏心距e宜符合下式要求:

2.3 验算抗冲切承载力

1)平板式筏基的板厚应能满足受冲切承载力的要求.板的最小厚度不宜小于400 mm.计算时应考虑作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩所产生的附加剪力.距柱边h 0/2处冲切临界截面的最大剪应力τ max应按公式(3-2)、(3-3)、(3-4)计算(图3-1).板的最小厚度不应小于400 mm.

图1 内柱冲切临界界面

当柱荷载较大,等厚度筏板的受冲切承载力不能满足要求时,可在筏板上面增设柱墩或在筏板下局部增加板厚或采用抗冲切箍筋来提高受冲切承载能力.

2)平板式筏基内筒下的板厚应满足受冲切承载力的要求,其受冲切承载力按下式计算:

2.4 验算距内筒边缘或柱边缘ho处筏板的受剪承载力

平板式筏板除满足受冲切承载力外,尚应验算距内筒边缘或柱边缘h0/2处筏板的受剪承载力.

受剪承载力应按下式验算:

2.5 计算方法选取

以下计算方法选取按照规范《高层建筑箱形与筏形基础设计规范》JGJ6-99确定.

倒楼盖法是以基底净反力为荷载,柱子为支座按普通楼盖计算筏板内力的方法.

当地基比较均匀、上部结构刚度较好,且柱荷载及柱间距的变化不超过20%时,筏形基础可仅考虑局部弯曲作用,按倒楼盖法进行计算.计算时地基反力可视为均布,其值应扣除底板自重.

当地基比较复杂、上部结构刚度较差,或柱荷载及柱间距变化较大时,筏基内力应按弹性地基梁板方法进行分析.

本例采用倒楼盖法进行计算;可自行用弹性地基梁法计算并进行比较.

按倒楼盖法计算的梁板式筏基,其基础梁的内力可按连续梁分析,边跨跨中弯矩以及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的系数.考虑到整体弯曲的影响,梁板式筏基的底板和基础梁的配筋除满足计算要求外,纵横方向的支座钢筋尚应有1/2～1/3贯通全跨,且其配筋率不应小于0.15%;跨中钢筋应按实际配筋全部连通.

按倒楼盖法计算的平板式筏基,柱下板带和跨中板带的承载力应符合计算要求.

柱下板带中在柱宽及其两侧各0.5倍板厚的有效宽度范围内的钢筋配置量不应小于柱下板带钢筋的一半,且应能承受作用在冲切临界截面重心上的部分不平衡弯矩Mp的作用.Mp应按下列公式计算:

式中:

Mp——板与柱之间的部分不平衡弯矩;

α m——不平衡弯矩传至冲切临界截面周边的弯曲应力系数;

考虑到整体弯曲的影响,柱下筏板带和跨中板带的底部钢筋应有1/2～1/3贯通全跨,且配筋率不应小于0.15%;顶部钢筋应按实际配筋全部连通;

对有抗震设防要求的平板式筏基,计算柱下板带受弯承载力时,柱内力应考虑地震作用不利组合.

3 PKPM筏板设计

3.1 软件功能简介

PKPM软件中JCCAD软件功能如下:

1)可完成柱下独立基础、墙下条形基础、弹性地基梁、带肋筏板、柱下平板、墙下筏板、柱下独立桩基承台基础、桩筏基础、桩格梁基础、及单桩的设计工作.同时软件还可完成由上述多种基础组合起来的大型混合基础设计,而且一次处理的筏板块数可达10块.软件可处理的独基包括倒锥型、阶梯型、现浇或预制杯口基础、单柱、双柱、或多柱基础;条基包括砖、毛石、钢筋混凝土条基(可带下卧梁)、灰土及混凝土基础;筏板基础的梁肋可朝上或朝下;桩基包括预制混凝土方桩、圆桩、钢管桩、水下冲(钻)孔桩、沉管灌注桩、干作业法桩和各种形状的单桩或多桩承台.

2)软件可充分利用上部结构CAD软件形成的各种信息,避免重复工作,最大限度地减少设计人员的负担.软件从PMCAD软件生成的数据库中自动提取首层结构的柱网、轴线、柱子、墙的布置信息,当轴线不满足要求时可增加轴线,软件还可读取PMCAD、PK、TAT、SAT WE软件在传下来的各种荷载,并按需要进行不同的荷载组合.读取的上部结构荷载可以同人工输入的荷载相互叠加.此外软件还能够提取TAT绘制柱施工图生成的柱钢筋数据,用来画基础柱的插筋.这样用户可以很方便地使用“基础人机交互输入”菜单统一布置各类基础,布置荷载,和绘制施工图.这些信息传送下来的条件是运行PMCAD主菜单的 A、1、2和 3项,生成“工程名·JAN”、“TATDA1·PM”、“LAYDAN ·PM”和“DATW·PM”文件;运行 TAT 和SATWE分别生成“TOJLQ ·TAT”、“TATJC·TAT”、“COLMGB·TAT”、“COLUMN ·ST L”和“WDCNL·SAT”文件.

3)对于整体基础,如交叉地基梁、筏板、桩筏基础,软件可采用多种方法考虑上部结构对基础的影响,这些方法包括:TAT上部结构刚度凝聚法,上部结构刚度无穷大的倒楼盖法,上部结构等代刚度法.

4)软件具有多种自动化功能,如程序可根据荷载和基础设计参数自动计算出独立基础和条形基础的截面积与配筋,自动进行柱下承台桩设置,自动调整交叉地基梁的翼缘宽度,自动确定筏板基础中梁翼缘宽度,自动进行独立基础和条形基础的碰撞检查,如发现有底面迭合的基础自动选择双柱基础、多柱基础、或双墙基础.同时程序又留有充分的人工干预功能,使软件既有较高的自动化程度,又有极大的灵活性.

5)软件对整体基础可采用多种计算模型,如交叉地基梁可采用文克尔模型---即普通弹性地基梁模型进行分析,又可采用考虑土壤之间相互作用的广义文克尔模型进行分析.对于筏板基础程序可按弹性地基梁有限元法计算,也可按MINDLIN理论的中厚板有限元法计算.对筏板的沉降计算程序提供了规范的假设附加压应力已知的方法,和刚性底板假定、附加应力为未知的计算方法.

6)软件有很强的交互功能和绘图功能,通过基础交互输入菜单可很方便地布置各种类型、形状各异的基础,以及确定各种计算参数,供随后的计算分析使用.通过绘平面图菜单可将所布置的基础全部绘制在一张图纸上,画出筏板钢筋,标注各种尺寸、说明.通过绘制地基梁菜单可画出不同分析方法计算出的梁施工图.利用画详图菜单可绘出独基、条基、连梁、桩基、承台的大样图,对独基、条基还可将详图画在平面图上.

7)软件完成设计后,也同时完成了主要工程量统计,如混凝土用量、钢筋用量、砌体用量、垫层用量等,为概预算软件提供数据.