浅析工业建筑中大面积整体筏板基础的设计

郭杰

【摘要】大面积整体式筏基在高层建筑应用较多，本文主要从工业建筑角度，通过结合所做实际工程，浅析筏板基础从选型、内力分析计算到配筋整个设计过程，同时简单介绍了筏板基础的弹性地基梁计算模型以及运用PKPM中JCCAD建模的计算顺序，而大面积整体式的筏板基础的控制重点在于沉降计算，这是JCCAD的计算核心，也是基础设计难点所在。由于工业建筑的复杂性，对基础设计要求较高，在实际工程中整体式筏板基础问题也较多，本文对可能出现问题也进行了简单描述。

【关键字】筏板基础；沉降；内力计算；配筋

1 引言

近年工业迅猛发展，产生许多大跨度复杂地下空间，且基础工程占整个工程造价很大部分。一般设计基底下岩层分为微风化、中风及强风化、全风化等岩层，对基础设计要有详细地质勘查报告。此外建筑物采取何种基础形式，与地基土类别及土层分布有关外，还要结合使用要求，特别是对工业建筑。

2 工程实例

2.1 工程概况

在某公交充换变电工程，建筑用地面积4000m?，建筑高11.05m，地上共两层，一层为电气设备房，有多台变压器及充电机柜；二层为办公用房，地下约3m空间，且地下空间要求空旷。

2.2 地质条件

工程所处地质主要为粘质粉土，局部为人工堆积杂填土的复合地基。另外场地内不排除有地表生产生活用水及大气降水入渗所导致上层滞水，其水位年变化幅度约2～3m。在干湿交替作用下地下水对混凝土结构钢筋具有一定腐蚀性。拟建场区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。

2.3 基础结构形式选择

筏基属扩展基础一类，其一般用在高层框架或剪力墙结构中，但当条基不能满足地基承载力或建筑要求有足够刚度以抵抗不均匀沉降，此时筏基是很好选择。即使地基均匀，对不均匀沉降敏感结构也常用筏基。本工程场区杂填土粉土掺杂，且易受到上层滞水影响，给地下工程防水及施工带来麻烦，且易对周围建筑造成不良影响，而结构顶板上部荷载较大且分布不均匀，考虑有地下管线影响，属于对不均匀沉降较敏感结构，综合下采取平板式筏板基础，此基础埋深可较浅。

3 平板式筏基结构设计

3.1 筏基平面形式及厚度的确定

在筏基设计时考虑到建筑物重心和基础形心尽量重合，基础外边缘应挑出，经过初步验算其底板自地下室外墙向外挑出500mm，外挑一定尺寸后，底板下地基应力集中得到改善，使之趋于均衡状态，对整体结构受力有利。首先筏基厚度不应小于柱网最大跨度1/20，且不小于200mm，通过柱网轴距8m，加上电气设备荷载，初步定底板厚度为800mm，再通过PKPM建模来对值进行调整。

3.2 筏基结构内力分析及配筋构造

对结构内力分析首先要确定计算方法即计算模型，在工程中对筏基计算主要有简化法（倒楼盖法）和弹性地基梁法。这两种计算方法结果差异大，主要因为前者在计算时只与筏板传递给它荷载有关，而没考虑地基作用，其次倒楼盖模型假定底板是刚性板，各点反力均相同，不受整体弯曲变形影响，由此计算剪力无法与柱子荷载相平衡，且这样计算后结构刚度会增加，从而使结构自重增加，附加应力也随之增加，需使用更大结构构件，就会造成材料浪费。由于倒楼盖模型计算缺点多，虽运用广泛但不推荐，因此为考虑地基与基础相互作用，筏基计算模型用弹性地基梁法，如果要考虑上部结构刚度，则在此模型基础上根据具体要求选择按考虑等代上部结构刚度影响的弹性地基梁计算。

本工程在对筏基内力分析计算，采用PKPM中JCCAD中桩筏筏板有限元计算模块来计算筏基沉降及筏板结构内力和配筋。在软件中输入筏基模型及相应参数，定义布置筏板，首先假定板厚度，并对柱冲切板进行验算，注意其中R/S值是否满足要求，一般大于1表示结构安全，但由于筏板冲切破坏是属脆性破坏，危险大，所以要有一定安全储配。一般R/S值控制在1.2以上，这样筏板即不厚也保证安全。通过反复试算后定筏板厚度為700mm。土反力基床系数根据JCCAD说明书中附录C基床反力系数推荐值，由不同土层地质情况定为20000kN/m?。

计算结果：底板配筋为双层双向Φ22@200通长，板端或柱端附近内力较大处加密为Φ22@100配置方式。通过最大反力计算，注意柱周围筏板地基反力大，为减少此处反力，同时避免应力集中过大产生不利影响，在柱下面设置柱墩保证结构安全。建筑地基采用近视刚性沉降模型，由沉降试算得最大沉降量为14mm。

3.3 筏板基础设计中的问题

本基础设计并不复杂，且筏板配筋也不难，但对筏基本身，有些问题值得学习，主要体现以下方面：

（1）筏基沉降变形。对大体积整体性筏基沉降变形控制是工程的核心。因设备安装，对基础沉降较敏感。而筏基整体性好，抗弯刚度大，相对弯曲变形小，可充分利用地基承载力，调整上部结构不均匀荷载和地基沉降。这种沉降是整体沉降，它不会像桩基或条基不均匀沉降所产生次生应力对结构造成破坏，所以能充分利用这种相对变化。只要天然地基能满足地基承载力要求，可对地基不作过多处理，这对降低工程造价有利。

（2）筏基防水。地下工程防水是很重要的，这关乎工程后期维护及工使用。本工程采取相应防水措施。在底板和侧壁采取三道防护：防水砂浆层、聚苯板保护层及SBS卷材防水层，在侧壁立墙上不得有空鼓现象，设计中要强调清楚，在电缆隧道出入口设置1m环形止水带连接。

（3）大体积整体筏基水化热。设计与施工是相互联系的，地下工程混凝土水化热问题不能忽视，它不同于上部结构，处理不好对工程维护有一定影响，甚至造成内部结构损伤。本工程也算大体积混凝土，在施工中除掺外加剂和确定相应混凝土配合比降低内部水化热外，还在筏基中部设置2m宽后浇带。

（4）筏基混凝土等级。对于框架结构和框剪结构，筏基主要是受到柱和核心筒冲切控制，而混凝土等级越高对板抗冲切是有利，但混凝土等级越高会影响板抗裂性。所以一般筏基的混凝土等级控制在C30～C40，基于此本文的混凝土等级定为C30。

4 结语

总之，在工业设计中很多大跨度复杂建筑结构形式，其地下结构设计时间费用投入是最大的，设计好坏关系到整个工程。在本工程结构设计中，主要考虑地基、基础与上部结构这三者是相互作用关系，使用大体积整体式筏基，对变形控制及基础防护是重点考虑对象。筏基最大优点是整体刚度大，差异沉降小，对上部结构整体稳定有利。对此工程可以通过有限元模型真实模拟这三者的共同工作，不过在实际工程中其最基本假定是上部结构与基础、基础与地基相互连接处变形协调关系。这样在基础设计时即考虑上部结构贡献，也考虑基础变形产生次生应力对上部结构有利影响。其实结构设计过程并不复杂，特别随PKPM等设计软件发展，结构很多内力计算都变得相对简单，但其中所蕴含的力学和数学等基本原理是非常丰富的，只有把这些结构理念弄清楚，并且能够从软件反应出来的各种信息中发现结构特性和结构受力情况，特别是对基础沉降计算，这是工程难点，是需要有丰富工程经验。除沉降还有筏板抗浮验算也容易忽视，所以要不断理论与实践相结合，才能真正把结构设计做好，才能成为真正结构设计师，这是从设计中所学最重要东西。

参考文献

[1]朱炳寅，娄宇，杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析.北京：中国建筑工业出版社，2007

[2]钟闻华，张克恭，刘松玉.天然地基筏板基础受力及变形分析. 江苏：中山大学学报，2002