某旧厂房改造中的联合基础加固设计分析

范 康

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710054)

1 概述

我国现行的国家规范、标准及相关文献中，对单柱扩展基础有基本的理论、设计方法及构造要求等［1］。在独立扩展基础分析中，基于弹性理论分析，在竖向荷载作用下的基础，如图1a)所示，其基底应力分布并不均匀，实际的应力分布取决于基础自身的刚度和下部受力层土体。根据中国建筑科学研究院对竖向荷载作用下基础不同宽高比的板的力学试验分析，基于试验结果，对基础台阶高宽比不大于2.5的独立柱基可采用基底反力直线分布进行内力分析，如图1b)所示。

图1 基础底面应力分布图

双柱联合基础的设计，我国现行建筑地基基础设计规范没有具体的规定。国内外对双柱联合基础都有相关试验研究［2，3］，对于矩形联合基础有一个基本假定:联合基础是刚性构件。基于这个的假定，结合我国现行设计规范进行必要的修正，双柱联合基础的一种近似计算方法计算要点是［4］:

1)确定基础底面形心的位置，尽可能使其与两柱传给基础的荷载的合力作用点相重合，基底反力呈均匀分布，按地基承载力确定基础底面尺寸。

2)分别对两柱柱下进行基础受冲切承载力及受剪承载力验算，以确定基础高度。

3)基于梁板设计理论，沿基础的纵向及横向(柱附近的一定宽度范围内)分别视为倒置的伸臂梁或悬臂梁，计算控制截面的弯矩以确定基础配筋。

2 工程概况

某钢筋混凝土结构旧工业厂房，为双跨双坡形式，屋架为预应力混凝土折线形屋架，钢筋混凝土柱，柱下采用钢筋混凝土独立基础。厂房单跨跨度为24 m，纵向轴距为6 m，柱顶标高为7.2 m。

现根据生产需要拟对其进行改造加固后再利用。根据设计方案，拟在厂房内部其中一跨内新建二层钢框架结构，框架柱采用箱形截面柱，梁为焊接H型钢。改造项目所在地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，为保证原混凝土结构厂房与新建钢框架结构抗震体系的协调，新建结构地上部分与原结构相互独立，新建钢框柱与旧厂房混凝土柱之间设置抗震缝，缝宽150 mm;结构布置如图2所示。

图2 旧厂房加固改造结构布置示意图

为满足功能需求，新建钢框架结构部分边柱与原厂房边柱及中柱距离较近，最小柱间距仅150 mm，新旧基础相互影响。基于现有设计条件及相关理论，结合双柱联合基础设计方法，对新旧结构双柱联合基础加固设计方法进行分析，满足设计要求，完成改造工作。

3 新旧结构联合基础加固设计方法

根据双柱联合基础的设计方法，对新旧结构共用基础的加固方法进行分析。共用新基础需要进行地基承载力计算、地基变形计算、基础受冲切承载力验算、受剪承载力验算以及底板配筋设计。

3.1 地基加固与承载力验算

对于加固改造项目，原结构基础与地基已经相对稳定。地基承载力及变形计算时需要根据新旧结构受力特点、基础形式、施工条件综合考虑。常用的地基基础加固方法有很多种，如基础补强注浆加固法、加大基础底面积法、加深基础法、锚杆静压桩法、树根桩法等［5］。

结合本工程实际情况，当新增加部分荷载不大时，尽量利用原地基持力层作为加固基础的持力层，通过增大基底截面法，使加固后基础底面的平均压力接近原基础基底压力。确定基础底面形心的位置，尽可能使其与两柱传给基础的荷载的合力作用点相重合，基底反力呈均匀分布或梯形分布。这种加固方法施工简单，对原结构影响小，地基变形可控。

3.2 基础受冲切承载力及受剪承载力验算

基础受冲切承载力及受剪承载力与基础截面高度呈线性关系，加大基础高度可以显著增大基础受冲切承载力及受剪承载力。

3.3 基础梁板配筋复核与加固

新旧结构共用基础基于联合基础设计理论，需要根据结构布置构建合理的分析模型。根据新建钢框架柱与原厂房柱之间的位置关系及荷载大小，分别采用不同的基础形式。当柱间距较小时，拟采用锥形联合基础;当柱间距较大时，可采用梁式联合基础。重新计算联合基础配筋并校核原底板配筋［6］。

4 新旧结构联合基础加固方案

4.1 锥形联合基础加固方案

当柱间距较小时，采用锥形联合基础，如图3所示。新增钢框架柱与原排架柱在地面以下、基础以上部分形成刚度较大的联合短柱，根据其受力特点，可以采用独立扩展基础计算原理分析联合锥形基础的内力。

图3 锥形联合基础加固

根据两柱传给基础的荷载及地基承载力特征值，确定基础底面积及底板宽度a2的尺寸，尽量使荷载作用点与基础底面形心相重合，基底反力均匀分布且不大于原基底反力设计值。验算基础受冲切承载力及受剪承载力，复核联合基础高度h1，h2;为了减少对原基础的破坏，降低施工难度，可以适当加大基础高度，使联合基础底板配筋与原基础底板钢筋相同。加固后的底板配筋应符合最小配筋率的要求。

联合基础短柱外围箍筋应根据两柱荷载大小计算，配筋应满足两柱柱底剪力及两柱轴力差值的作用。短柱顶面在两柱之间适当配置纵向钢筋，以满足特殊工况下两柱间的内力。

4.2 梁式联合基础加固方案

当柱间距较大时，可采用梁式联合基础，如图4所示。新增钢框架柱与原排架柱间距较大，梁式基础受力类似于倒楼盖模型。两柱之间基础梁上部会出现较大的正弯矩，两柱之外悬挑部分有较大的负弯矩。当基础高度不小于1/6柱距时，基底反力可按直线分布，可采用连续梁模型计算内力。

根据两柱传给基础的荷载及地基承载力特征值，尽量使荷载作用点与基础底面形心相重合，基底反力直线均匀分布，确定基础底面积及底板宽度a3的尺寸。

图4 梁式联合基础加固

根据连续梁受力特点，基础暗梁应在柱两侧尽量设置悬挑，以平衡柱底弯矩并减小柱间正弯矩值。梁式联合基础高度h根据基础内力计算，并满足构造要求。基础高度可以保证基础具有足够的刚度抵抗基础变形，调节两柱荷载，保证基底反力呈线性均匀分布。基础配筋根据内力计算结果在基础顶部与底部配置必要的钢筋并满足构造要求。

5 结语

1)改造项目中新旧结构柱的荷载与位置与联合基础选型关系较大，新建结构方案布置时应充分考虑现场条件、荷载大小及结构形式，采用合理的基础加固方案，保证加固设计的安全性、施工可行性及经济性。

2)锥形联合基础与梁式联合基础加固设计方法都是基于基础刚性假定，设计中应控制基础宽高比，保证基础刚度，满足基底反力呈线性均匀分布的设计条件。

3)本文基于某旧厂房加固改造项目的实例给出了双柱联合基础设计的两种方案及适用条件，可为同类工程提供必要的参考。但是新旧建筑联合基础加固设计较为复杂，受到各种外界条件影响，设计时应充分考虑各种不利因素，因地制宜，合理分析，满足设计要求。