浅谈整体式基础设计中的几个问题

谈云翔

驻马店市建筑勘察设计院有限公司（463000）

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浅谈整体式基础设计中的几个问题

谈云翔

驻马店市建筑勘察设计院有限公司（463000）

整体式基础因其自身在平面外刚度的有限性，在上部结构不均匀荷载作用下容易产生较大的变形差，导致筏板内力和配筋量的增加。在基础设计时，可考虑上部结构刚度对其的影响，即考虑基础与上部结构共同作用，使基础平面外刚度得到加强，从而大幅提高抵抗上部结构传来的不均匀荷载的能力，减少变形差，使得构件的内力与配筋相应变小，达到的经济合理的设计要求。

上部结构刚度；整体式基础；柱墩

1 上部结构刚度在整体式基础设计中的应用

对于整体式基础结构（如筏板基础、柱下条形基础、桩筏基础等），因其自身在平面外刚度的有限性，在上部结构不均匀荷载作用下容易产生较大的变形差，导致筏板内力和配筋量的增加。根据现行《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第8.4.21条规定:在同一大面积整体筏形基础上建有多栋高层和低层建筑时，筏板的厚度和配筋宜按照上部结构、基础与地基土共同作用基础变形和基底反力计算确定。第7.1.3条规定:软弱地基设计时，应考虑上部结构和地基的共同作用。对建筑体型、荷载情况、结构类型和地质条件进行综合分析，确定合理的建筑措施、结构措施和地基处理方法。《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008中关于变刚度调平设计第2.1.10条的解释:考虑上部结构形式、荷载和地层分布以及相互作用效应，通过调整桩径、桩长、桩距等改变基桩支承刚度分布,使建筑物沉降趋于均匀、承台内力降低。在基础设计时，可考虑上部结构刚度对其的影响,即考虑基础与上部结构共同作用，其原理是把上部结构的刚度叠加到基础构件上，使基础平面外刚度得到加强，从而大幅提高抵抗上部结构传来的不均匀荷载的能力，减少变形差，使得构件的内力与配筋相应变小，使设计经济合理性。

1.1 考虑上部结构刚度、基础与地基的共同作用

JCCAD软件可以读取SATWE、PMSAP、TAT等上部结构软件计算后传到基础的柱、墙内力，并能考虑上部结构刚度对基础设计的影响。软件对地基梁、筏板、桩筏等整体基础，可采用上部结构刚度凝聚法、上部结构刚度无穷大的倒楼盖法和上部结构等代刚度法等多种方法考虑上部结构对基础的影响，其主要目的就是控制整体性基础的非倾斜性沉降差，即控制基础的整体弯曲。

上部结构刚度凝聚法是采用SATWE、PMSAP、TAT等上部结构软件计算形成的上部结构刚度信息，根据相关构件，把它凝聚到下部基础结构刚度矩阵中进行求解，其计算结果对于下部基础而言就是上下部结构共同作用计算的理论解。使用该方法的前提条件是在进行TAT、PMSAP和SATWE计算时要选择将刚度传给基础，生成“TATFDK.TAT”、“SATFDK.SAT”和“SAPSDK.SAP”的文件，如图1所示。

图1 SATWE计算控制参数

JCCAD软件在进行桩筏、筏板有限元计算中关于上部结构刚度影响的选择分四种情况，即不考虑TAT上部结构刚度、SATWE上部结构刚度和PMSAP上部结构刚度，如图2所示。

图2 桩筏计算中考虑上部结构影响选择

在基础梁板弹性地基梁法计算中关于上部结构刚度影响分五种情况考虑，如图3所示。

图3 基础梁板弹性地基梁法计算方法

1）按普通弹性地基梁计算是指进行弹性地基梁结构计算时，不考虑上部结构刚度的影响。

2）考虑等代上部结构刚度的弹性地基梁计算:是指进行弹性地基梁结构计算时，可考虑一定的等代上部结构刚度的影响。上部结构刚度影响的大小可用上部结构等代刚度为基础梁刚度的倍数来表达，该倍数主要与上部结构层数、结构跨数及地基梁与上部结构梁刚度比有关。

3）上部结构为刚性的弹性地基梁计算是指进行弹性地基梁结构计算时，将等代上部结构刚度考虑的非常大（200倍），以至于各节点的位移差很小（不包括整体倾斜引起的位移差），如框支剪力墙结构,此时几乎不存在整体弯矩，只有局部弯矩，其结构类似于传统的倒楼盖法。一般来说，如果跨度相差不大，考虑上部结构刚度后，各梁的弯矩相差不太大，配筋更加均匀了。

4）SATWE上部刚度进行弹性地基梁计算是SATWE或TAT计算的上部结构刚度用子结构方法凝聚到基础上。该方法最接近实际情况，用于框架结构非常理想。选择该项的条件是必须在计算SATWE或TAT时，选择把刚度传给基础项，如果两种数据都存在时，优先使用SATWE刚度。

5）普通梁单元刚度矩阵的倒楼盖方式计算是采用传统的倒楼盖方法，梁单元取用了考虑剪切变形的普通梁单元刚度矩阵。一般来说，该方法计算的局部弯矩较弹性地基梁法大，但由于柱子、墙体的节点没有竖向位移，因此没有考虑到梁的整体弯矩，其计算结果明显不同于弹性地基梁方法。

1.2 上部结构刚度在桩基承台设计中的应用

在桩基承台设计中，应用变刚度调平概念设计来减少差异变形，降低承台内力和配筋，在具体实施中，就是要进行上部结构-基础-地基（桩土）共同作用分析计算，计算沉降等值线、承台内力和配筋，通过不断的优化布桩，取得合理的结果。以下工程实例，分别给出了考虑或不考虑上部结构刚度时的基础设计结果。

某小区商住楼，框支剪力墙结构，地上14层，无地下室，建筑高度45.30 m，抗震设防烈度6度，三类场地,基础采用预应力混凝土管桩承台基础。考虑上部结构刚度时桩反力相互间差别不大，沉降图中各承台间沉降差较小。不考虑上部结构刚度计算的桩反力差别较大，沉降图中各承台间沉降差较大。桩基承台基础设计时，上部结构刚度对于承载力和变形的影响十分明显:不考虑上部结构刚度桩反力差异性较大，基础的沉降差异也较大；考虑上部结构刚度后单桩反力更加均匀，差异沉降也减小。

考虑上部结构刚度后，计算结果不仅满足荷载与抗力的整体平衡，也满足荷载与抗力的局部平衡，从而有效减小差异沉降，降低承台内力和配筋，使基础设计更加经济合理。

2 柱墩布置及对筏板配筋影响

工程设计中，对于平板式基础而言，柱下（或墙下）受力较为集中，冲切计算结果有时不能满足规范要求，《建筑地基基础设计规范》第8.4.7条规定：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。在竖向构件下布置柱墩是一种比较常见的方法。新版的JCCAD软件能够实现上柱墩和下柱墩的布置与相关计算。以下将对JCCAD中上下柱墩的布置及计算做一些探讨。

2.1 上柱墩与下柱墩的比较

工程中，底部与筏板顶部相齐平的柱墩为上柱墩，又称底平形变厚度筏板，如图4中的a图所示。顶部与筏板底部相齐平的柱墩为下柱墩，又称顶平形变厚度筏板，如图4中的b图和c图所示。

图4 上下柱墩

上柱墩通常有效刚性角范围大，筏板底部钢筋受力直接，利用率高，施工难度较小，可以节约混凝土用量，但对使用空间有不利影响。下柱墩有效刚性角范围小，筏板底部钢筋受力不直接，利用率低，施工难度较大，且质量难以保证。从结构设计角度出发，一般情况下，不宜采用普通下柱墩，如必须采用下柱墩时，也应该采用元宝形的下柱墩。

2.2 JCCAD中上下柱墩的布置及冲切计算

进入JCCAD中的“基础人机交互输入”后，在“上部构件”的“柱墩”菜单里能够实现上下柱墩的定义。定义上柱墩时，端高与高尺寸相同时显示为“矩形平墩”，端高尺寸小于高尺寸时显示为“矩形锥墩”，如图5所示。定义下柱墩时,在对话框中“坡度”一项填入90°，则是上面提到的普通下柱墩。如果“坡度”填入0°～90°之间的值，则是上面提到的元宝形下柱墩。要注意的是，如果填入的坡度值小于30°，程序会自动处理为30°坡。

图5 柱墩尺寸

上下柱墩均分为刚性柱墩和柔性柱墩，当定义的柱墩截面尺寸符合刚性角要求时，即为刚性柱墩。一般情况下，刚性柱墩可以满足柱对柱墩的冲切要求。柱墩尺寸是否满足刚性角要求可以通过“查刚性角”菜单查看。如图6所示，实线显示的为上柱墩，虚线显示的为下柱墩。如果不满足刚性角要求，程序将在柱墩外画红圈显示。不满足刚性角要求的柱墩为柔性柱墩。如果下柱墩为刚性柱墩，此时整个柱墩在冲切范围以内，将不能提高筏板基础的抗冲切能力。其余下柱墩中的柔性柱墩及上柱墩均能提高筏板基础的抗冲切能力。因此，在布置柱墩时，应该避免刚性下柱墩的出现。无论是刚性柱墩还是柔性柱墩，程序均在执行“柱冲切板”菜单时完成柱对柱墩、柱墩对板的冲切验算，并输出图形与文本文件。值得注意的是，JCCAD对于带有柔性下柱墩的柱冲切板的验算，不仅考虑了柱对变厚度筏板的冲切破坏面，还考虑了筏板变厚度处的冲切破坏面，如图7虚线所示。

图6 柱墩尺寸

图7 筏板变厚度处的冲切破坏面

2.3 柱墩对筏板内力计算的影响

刚性柱墩对筏板内力计算的影响：如果用户在基础交互建模布置了刚性柱墩，那么在筏板内力计算时不考虑它对筏板的影响，即桩筏筏板有限元程序在筏板内力计算时忽略刚性柱墩，但在筏板配筋计算时，程序将会剔除刚性柱墩范围内的内力值，即仅选择柱墩范围外的内力值进行配筋。

柔性柱墩对筏板内力计算的影响：如果用户在基础交互建模布置了柔性柱墩，那么在桩筏筏板有限元计算中，程序将自动将其当做一块变厚度筏板进行有限元分析。筏板内力计算时，给出这块局部变厚度筏板的内力值、配筋值。变厚度筏板的配筋结果如图8所示。

图8 变厚度筏板的配筋结果

3 结论

在计算柱对筏板的冲切时，程序会根据柱墩尺寸区分是刚性还是柔性。若为柔性，则在冲切计算时考虑柱墩厚度对筏板冲切计算的有利作用。若为刚性柱墩，则不考虑柱墩厚度。在有限元计算时，程序都将柱墩视为变厚度筏板来对待，在配筋的时候考虑柱墩厚度的影响。

[1]JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2]GB 50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].

[3]朱炳寅,娄宇,杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析[M].建筑工业出版社.

[4]独基、条基、钢筋混凝土地基梁、桩基础和筏板基础设计软件用户手册[M].

[5]JCCAD S-5,中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司设计条件事业部[S].