砌体房屋基础设计中的荷载选用问题

刘晓颖 刘民易

(建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 引言

JCCAD软件是PKPM系列软件中的重要成员之一，由于其能够接力PMCAD、PK、SATWE和PMSAP、QITIQ等上部结构的计算数据进行基础设计，因此在广大设计院中得到了广泛的应用。

采用JCCAD软件对砌体承重结构进行基础设计时，如何正确读取平面荷载?构造柱荷载如何考虑?对于带变形缝的砖混结构，其变形缝处荷载如何考虑?对于砖混底框结构，读取SATWE荷载时，是否要考虑地震作用?对于砖混带局部底框结构，其荷载形式该如何考虑?平面荷载和PK荷载有何区别?《建筑抗震设计规范》和《建筑地基基础设计规范》对砌体结构的承载力和变形计算是如何规定的?是否要进行基础的沉降计算以及什么情况下需要进行砌体结构基础变形计算等?这些既是广大设计人员在进行砌体结构基础设计中非常关心的问题，也是在使用JCCAD软件进行基础设计时，由于不清楚软件的编制原理和计算方法，比较容易出错的地方。因此笔者以为有必要结合规范的相关条文和具体的工程实例，详细阐述此类工程基础设计时应该如何合理应用JCCAD软件。

2 承载力计算

2.1 规范相关条文

(1)《建筑抗震设计规范》[1](简称《抗震规范》)4.2.1条规定:砌体房屋可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算。

(2)《建筑地基基础设计规范》[2](简称《地基规范》)5.2.1条规定:基础底面的压力，应符合下式要求:

1轴心荷载作用时

2偏心

(3)《地基规范》5.2.2条规定:基础底面的压力，可按下列公式确定:

1当轴心荷载作用时

2偏心

(4)《地基规范》8.1.2 条规定:基础高度，应符合下式要求(图1)

式中:b—基础底面宽度;

b0—基础顶面的墙体宽度或柱脚宽度;

H0—基础高度;

b2—基础台阶宽度;

tanα—基础台阶宽高比b2∶H0，其允许值可按规范表8.1.2选用。

图1 无筋扩展基础构造示意(d为柱中纵向钢筋直径)

2.2 设计特点

砌体结构的基础设计不考虑地震作用[3]。

砌体结构一般采用无筋扩展基础(包括砖、毛石、砼或毛石砼、灰土和三合土等材料)[4]，根据其基础形式受力特点的特殊性，只要保证每段墙下条形基础的承载力能够满足其上部各墙段荷载的要求即可。

鉴于上述原因，在确定砌体结构的墙下条基的设计内力时，不需要考虑地震作用以及弯矩和剪力，只需要考虑轴力作用。

3 变形计算

《地基规范》3.0.2 和3.0.3 列出了地基变形计算的要求。

《地基规范》[2]5.3.3 －1 规定:由于建筑地基不均匀、荷载差异很大、体型复杂等因素引起的地基变形，对于砌体承重结构应由局部倾斜控制。

从上可以看出，在一般的情况下，砌体承重结构可以不进行地基变形计算，但是，当由于地基不均匀、局部荷载过大和体型复杂等因素存在时，还是应该进行基础的变形计算。对于砌体结构，当基础产生不均匀沉降时，由于其协调能力不足容易产生局部倾斜，房屋常因此破坏，所以对于砌体承重结构而言应该根据工程的实际情况，具体分析判断是否应该进行沉降计算。

4 JCCAD的荷载选用

4.1 砌体结构基础设计荷载的选择

鉴于砌体结构的墙下条基的设计特点，在10版JCCAD程序中有读取“平面荷载”的选项，见图2。

图2 10版【读取荷载】菜单

(1)砖混结构的构造柱传到基础荷载往往很小，一般只有其自重，因此构造柱下不用设置独立柱基，只需将构造柱处的节点荷载分配到与其相连的墙段上，其荷载与墙上本身荷载合并为一之后再进行墙下条基设计即可。在JCCAD程序中可以通过【荷载输入】(【无基础柱】菜单项来实现[5]，如图3，程序会将构造柱处的节点荷载根据相关墙段的长度进行平均分配。设置【无基础柱】前后的墙段荷载的变化，以某工程为例见图4。只有通过这样的处理，在设计墙下条基时，才不至于将构造柱处的荷载丢失，避免设计结果的不安全性。

图3 【无基础柱】菜单

(2)由于“平面荷载”的导荷原则采用的是:只与板的周边构件是否存在有关，与构件的刚度无关，所以，每段墙承受的荷载大小可能会存在一定差异，即同一轴线上各段墙承受的荷载有差异，进而影响到对应生成的墙下条基截面尺寸也有差异。

图4 墙段荷载图 (设置【无基础柱】前、后对比)

这种设计结果，从计算的原理上说是符合其实际工程情况，但是对于楼层数相同荷载差异不大的工程，在实际施工中，最好设计成相同的条基截面尺寸才比较理想[6]。对此，可以通过 JCCAD的【荷载参数】中的“平面荷载按轴线平均”选择项来实现，见图5。如选择该要求，则程序将同一轴线上的砌体墙下荷载按均匀分布处理(该参数只是适合于砌体结构)。(注:即使同一轴线上荷载相同，由于考虑基础底面积重复利用修正，每段生成的基础也有可能会有所不同。)

图5 10版JCCAD【荷载参数】

(3)当对砌体结构设缝时，由于缝两侧的楼层数存在较大差异，设计时应将两侧的荷载分别取平均值考虑，而不是同一轴线上的荷载取均值，10版JCCAD程序也充分考虑到这一点，下面以某工程实例简单说明。该工程为一砖混结构，设有抗震缝，其三维轴测图如图6所示。

图6 三维轴侧图

以1区和2区处的缝为例简单说明，如图7、图8，考虑“平面荷载按轴线平均”后，程序将缝两侧的墙段荷载各自取平均。

图7 平面局部图

图8 砌体结构读取“PM恒+活”图(不考虑与考虑均值对比)

4.2 底框结构基础设计的荷载选择

从我国多次强地震中遭受破坏的建筑来看，只有少数房屋因为地基的原因而导致上部结构破坏，这类地基大多是液化地基，以及易产生震陷的软土地基和严重不均匀地基，而大量的一般性地基具有良好的抗震性能，极少因地基承载力不够而产生震害[1]。

《抗震规范》[1]4.2.1 条规定:下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算:

(1)砌体房屋

(2)地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑

a.一般的单层厂房和单层空旷房屋;

b.不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋;

c.基础荷载与b项相当的多层框架厂房。

(3)本规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑

注:软弱粘性土层指7度、8度和9度时，地基承载力特征值分别小于80、100和120kPa的土层。

底框结构和砌体结构一样，在设计基础时，一般可以不考虑地震作用。设计人员采用PKPM进行此类工程设计时，上部砌体结构用QITI＜③砌体信息与计算 ＞、下部底框结构用 SATWE、PMSAP或TAT进行分析计算。

JCCAD软件进行底框的柱基设计可不考虑地震荷载组合，但如果选择读取地震作用工况，则程序也会自动加入其对应的荷载组合，并作相应的承载力验算。

如图9～10，是选择和不选择地震作用工况所对应的荷载组合。

图9 读取SATWE恒荷载、活荷载和地震作用工况

图10 读取SATWE恒荷载和活荷载

以某工程为例，节点1处的柱下独基，按考虑与不考虑地震作用组合两种方法进行设计，对应生成的基础底面积尺寸不同，分别为1 890mm×1 890 mm和 1 698 mm×1 698 mm，如图 11，12，从中可以看出修正后的地基承载力值也不同，考虑地震作用为366 kPa，不考虑地震作用为282 kPa。

因此，在使用JCCAD程序进行砖混底框基础设计时，应该根据工程的具程监管信息系统的设计与应用体情况，并结合规范要求来判断是否考虑地震作用工况。

图11 柱下独基计算书(考虑地震作用)

图12 柱下独基计算书(不考虑地震作用)

4.3 砖混结构中局部底框柱基础设计的荷载选择

对于砖混结构中存在局部底框柱的情况，在进行基础设计时建议同时读取“平面荷载”、“SATWE荷载”或“PK荷载”;否则会造成局部底框柱基础设计存在一定的安全隐患。

一般砌体结构的构造柱的荷载处理已在前面作了阐述，但是当砖混结构由于其建筑功能需要存在局部底框时，如果此处的柱仍然简单地按照构造柱处的基础设计处理明显不合理，因此应该区别对待。首先在上部结构设计时，除了应该在QITI＜③砌体信息与计算＞中进行抗震验算外，还应该将该处的柱、梁按照底框进行内力、配筋计算;然后到JCCAD＜②基础人机交互输入＞中读取，考虑相应的轴力、弯矩和剪力。

JCCAD底框处读取“平面荷载”与“PK荷载”其内力存在很大差异，如图13，主要有两点:

1)“平面荷载”只有轴力，没有弯矩和剪力，“PK荷载”不但有轴力，还有弯矩和剪力;

2)“PK荷载”比“平面荷载”的轴力值小。由于“平面荷载”和砌体抗震验算中底框分析的导荷方式不同，所以二者传给基础的荷载存在一定的差异。“平面荷载”是将底框梁上的砖墙荷载全部导到柱上，而“PK荷载”则是在进行砖混抗震验算时，底框梁上的砖墙荷载在传到底框层时，已经根据墙段将上层验算的构造柱荷载按照砖混抗震验算原则，平均分配到与其相连的相应墙段上，因此“PK荷载”的轴力值一般小于“平面荷载”。

分别读取“平面荷载”与“PK荷载”，二者对应生成的基础截面尺寸存在很大差异，如图14。

图13 底框处读取“平面荷载”与“PK荷载”对比图

图14 柱下独基读取“平面荷载”与“PK荷载”生成基础底面尺寸对比图

由于“PK荷载”存在弯矩和剪力，但是其轴力比“平面荷载”小，因此建议在底框处基础设计时最好同时读取“平面荷载”和“PK荷载”，由程序根据最不利组合自动生成基础截面尺寸。

5 结束语

采用JCCAD软件进行砌体基础设计时，合理地选择荷载形式，确保承载力和沉降都满足规范的要求，保证工程设计安全可靠，是非常重要的。

根据《抗震规范》的相关要求，砌体结构的基础设计一般不需要考虑地震作用的影响。对于砖混底框结构，读取SATWE荷载时，一般不需要考虑地震作用的影响。对于砌体结构，宜读取平面荷载，构造柱荷载宜平均到周边的承重墙上。对于砖混局部底框结构，建议同时读取平面荷载和PK荷载，程序自动取最不利进行基础设计。根据《地基规范》的相关要求，除非是液化土层，需要验算局部不均匀沉降，一般情况下不需要计算基础变形。

[1]《建筑抗震设计规范GB50011－2010》.中国建筑工业出版社，2010年8月第一版.

[2]《建筑地基基础设计规范GB50007－201x》(报批稿).

[3]国家标准建筑抗震设计规范管理组编.《建筑抗震设计规范GB50011－2010统一培训教材》.地震出版社，2010年9月第一版.

[4]《建筑地基基础设计规范理解与应用》.中国建筑工业出版社，2004年6月第一版.

[5]中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所著.《PKPM基础设计软件功能详解》.中国建筑工业出版社，2009年12月第一版.

[6]陈岱林，赵兵，刘民易.《PKPM结构CAD软件问题解惑及工程应用实例解析》.中国建筑工业出版社，2008年5月第一版.