高层建筑箱形基础.ppt

1.概述 2.箱形基础的构造要求 3.地基变形计算 4.箱形基础基底反力 5.箱形基础内力分析 6.箱形基础强度计算 5.1 概述 n箱形基础是由钢筋混凝土顶板、底板、纵横交错的内外侧墙板组成的 空间格构式整体结构。 n箱形基础自身具有很大的刚度和良好的整体性，能够抵抗并协调软弱 地基土在较大荷载作用下产生的不均匀变形。 n箱形基础一般埋置较深： n提高地基土的稳定性、地基承载能力和减少基础沉降； n能保证建筑物在侧向荷载作用下的稳定性，防止其倾覆和滑移； n增大阻尼减小地震的破坏作用。 52箱形基础的构造要求 （1） 箱形基础的材料 混凝土强度等级不应低于C20，外围结构的混凝土抗渗要求不应低于S6 。 （2） 箱形基础的埋置深度 n 满足地基承载力、地基变形和稳定性要求，以减小建筑物的整体倾 斜，防止倾覆和滑移； n 应考虑施工条件、基坑开挖、地下水位、相临建筑物等情况。 n 箱形基础的埋置深度，采用天然地基时应不小于建筑物高度的1/12； 在地震区埋深不宜小于建筑物高度的1/10。 （3） 箱形基础的平面尺寸 n 综合考虑地基土承载力、地基变形、上部结构的布置、荷载分布等 条件确定； n 平面形状力求简单，以获得较好的整体刚度。基础底面的形心应尽 量与上层结构的竖向荷载重心相重合。 n 偏心距e应满足下列要求： 1）当恒载与活载组合时eB/60； 2）当恒载、活载与风荷载组合时eB/30。 B为矩形箱形基础底板的宽度或长度。 （4）箱形基础的高度 n 箱形基础的高度是指其底板下皮至顶板上皮间尺寸。一般取建筑物高度的 1/81/12，且不宜小于箱形基础长度的1/18，也不小于3米。 （5） 箱形基础的顶板和底板 n根据其受力特点、整体刚度及防水要求确定。基础底板厚度不应小于250mm ，顶板厚度不应小于150mm。顶板和底板的厚度应满足抗剪承载力要求； n底板的厚度尚应满足抗冲切承载力要求；在实际工程中，底板由于受力和防 水要求厚度一般在500600mm以上；顶板厚度一般可达300350mm。 n箱形基础的顶板和底板均应采用双层双向配筋。 （6）箱形基础的内外侧墙板 /50 /50 /50 现浇柱 墙体 现浇柱 /50 /50 墙体 /50 a)角柱b)边柱 /50 /50 /50 /50 c)中柱 （7）墙体上开洞口 开洞系数 =（A op/ A f）1/20.4 （8）底层柱与箱形基础连接 （9）箱形基础的变形缝 （10）箱形基础的防水 53箱形基础地基计算 5.3.1 地基承载力验算 （1）基础底面压应力p、pmax、pmin a) 轴心荷载 b) 偏心荷载 (2)地基承载力验算 1 a) 当不考虑地震作用时 p fs (5.5) pmax 1.2fs (5.6) pmin 0 (5.7) b）当考虑地震作用时 p sfs (5.8) pmax 1.2 sfs (5.9) 5.3.2 地基变形计算 天然地基上箱形基础的地基变形与一般建筑物浅基础相比较，有以下 两个主要特点： 1）由于大面积的基坑深开挖，引起比较明显的基坑土（卸载）回弹 变形。回弹变形大小与土的特性、卸载大小、基坑面积、施工方法等 因素有关。 2）上部结构与基础及地基的共同作用，随着基础和上部结构刚度及 荷载的逐步形成的，基础沉降、基底反力也相应渐次发展。共同作用 下地基变形机理等还有待进一步研究。 单位：smm，qkPa 图5-6 基坑土卸载与回弹变形关系 n高层建筑箱形基础地基变形大致可分为三个阶段：自重应力阶段 、附加应力阶段和恒应力阶段变形。 自重应力阶段 ppc 建筑物加载至等于基础开挖的土重时 20%30% 附加应力阶段 ppc 建筑物加载超过自重应力起 35%50% 至设计荷载的总荷载 恒 应 力 阶 段 ppc 指建筑物竣工后的地基长期变形 3035% 一般建筑物浅基础在施工阶段 仅完成最终沉降量的20%左右 明显不同。 箱形基础的最终沉降量是按 建筑地基基础设计规范（ GBJ7-89）中推荐的分层总和法 计算。 规范法计算地基变形时，应注意以下几点： 1）箱形基础的允许沉降应考虑建筑的使用要求和相临建筑物的影响确定 。 2）箱形基础的地基沉降计算深度的取值，是影响地基最终沉降量的重要 因素之一。 应力法 sz0.2(0.1)z 应变法 规范 s0.25 s 有相邻荷载影响 zn=b（2.50.4lnb） 无有相邻建筑影响 3）在计算基底平均附加应力时，由于箱形基础埋置深度较大，应考虑 扣除水浮力； 4）计算地基沉降时，应考虑相邻荷载影响，其值可按应力叠加原理采 用角点法计算； 5）当基础形状不规则时，可采用分块集中力法计算基础下的压力分布 ，并应按刚性基础的变形协调原则调整，分块大小应由计算精度确定； 6）分层总和法未考虑地基回弹再压缩变形，故适用于箱形基础的回弹 再压缩变形量占地基最终沉降量的比例较小的情况。 5.3.3 整体倾斜验算 倾斜是控制地基变形的一个重要指标，地基倾斜有整体倾斜和局部倾斜两 种。 由于箱形基础自身整体刚度大并与上部结构共同作用，当地基变形时，箱 形基础可以视作一个刚性整体发生整体倾斜和沉降。 箱形基础的整体倾斜主要是指其横向整体倾斜，其结果不仅使上部结构产 生附加应力，而且还影响建筑物的整体稳定和正常使用。 影响箱形基础整体倾斜的因素： 有地基条件、荷载偏心大小、相邻建筑物的影响、施工方法、上部结构 刚度大小、基底反力、地震烈度等。 当地基比较均匀时，影响箱形基础整体倾斜的主要因素是荷载偏心大 小、相邻建筑物的影响和施工条件。前两个因素在设计时可以予以调整 处理，而施工条件的影响难以把握，主要有地下水位和相邻建筑物之间 的影响。 箱形基础整体倾斜 的估算方法 对矩形箱形基础，用分层总和法计算两个纵向边缘中点的 沉降值，求出沉降差除以基础宽度得横向整体倾斜值。 高层建筑箱形基础（天然地基）横向整体倾斜的允许值应 考虑建筑物的使用要求、相邻建筑物的影响等因素，按地 区建筑经验确定。如，上海市软土地基上高层建筑箱形 基础设计试行规定（DBJ08-1-81）中规定，箱形基础（ 天然地基）横向整体倾斜的允许值按建筑物高度计算不宜 大于3或4。规程中规定，在非地震区横向整体倾 斜的允许值宜符合下式要求： 式中, B: 箱形基础宽度（m）；H: 建筑物高度（m）。 5.4 箱形基础基底反力 541箱形基础基底反力分布特点 在箱形基础设计中，首先必须确定基底反力的分布和数值大小，而 基底反力的分布形状是箱形基础内力分析的最主要问题。根据不同的基 底反力分布计算出的箱形基础内力差别是较大的，有时甚至可以改变内 力的正负号。 影响基底反力分布及大小的因素： n 建筑物的荷载分布及大小； n 基础埋深； n 基础的平面形状和尺寸； n 基础和上部结构的刚度 n 相邻建筑物的影响； n 地基土的性质； n 施工条件等。 目前，经典的地基分析模型（如文克勒地基模型、弹性半无限体地基 模型）都难以准确地解决箱形基础基底反力分布及大小的计算。因此， 地基反力的实测工作是十分重要的。 部分箱形基础实测的反力分布曲线 注：a）建筑物箱基为矩形平面且无相临建筑物；b）建筑物箱基为矩形平面有相临建筑物； c）建筑物箱基为悬臂矩形平面且无相临建筑物。图中长度单位：mm。 5.4.2 简化计算方法（反力系数法） n 以实测资料统计分析为基础，具体计算步骤如下 ： 1将基础底面划分为40个区格（纵向8格横向5格）； 2求每个区格的基底反力pi (5-13) 式中, P: 上部结构竖向荷载加箱形基础自重，kN；L、B: 箱形基础长度和宽度 （包括底板悬挑部分），m；i: 计算区格的反力系数，由表5-3和表5-4确定。 n适用范围： 仅适用于上部结构与荷载比较匀称的框架结构、地基土比较均匀、底板悬挑部 分不宜超过0.8m、不考虑相邻建筑物的影响以及满足本规程构造要求的单幢建 筑物的箱形基础。 当纵横方向荷载不很匀称时，应分别将不匀称荷载对纵横方向对称轴所产生的 力矩值所应起的基底不均匀反力和式（5-13）计算的基底反力进行叠加。力矩 所引起的基底不均匀反力按直线变化计算。 55箱形基础内力分析 551箱形基础弯曲内力计算 高层建筑的箱形基础与一般建筑物基础相比，其上部结构、基础及地基 之间的共同作用明显。若用不考虑上部结构作用的常规基础设计方法分析 ，其结果与实测结果差距较大。 考虑上部结构与地基基础之间共同作用的计算方法有: 子结构法、波前 法、分块求解法等。整体分析方法计算工作量大且较复杂，根据对高层建 筑箱形基础实测资料的分析，并结合箱形基础刚度大、纵向整体弯曲小的 特点，在工程实践中常采用考虑上部结构刚度的近似分析方法。在工程实践中常采用考虑上部结构刚度的近似分析方法。 高层建筑箱形基础可视作一箱形格构式结构，其内力由箱形基础整体弯 曲作用和局部弯曲作用两部分产生的内力叠加组成。 n 整体弯曲作用，是指箱形基础在上部结构荷载和地基不均匀反力作 用下，将箱形基础折算成工字形梁发生整体弯曲在基础中产生内力，顶板 受压、底板受拉； n 局部弯曲作用，是指箱形基础顶板和底板分别在上部结构荷载和地 基反力作用下，根据各自支承情况发生局部弯曲在基础中产生内力。 计算底板局部弯曲作用所产生的弯矩数值应乘以0.8的折减系数;若墙下 的基底反力系数为1.0，则板区格中部为0.70.8。此外，应注意箱基底板 厚度相对于其跨度是较大的，其作用机理有待于近一步研究。 上部结构等效刚度计算法 目前工程上应用的是考虑上部结构的影响（采用上部结构等效刚度） 的计算方法，就是考虑上部结构两种极端的情况，采用不同的弯曲内力分 析方法。 1. 上部结构为现浇剪力墙体系 上部结构刚度极大，箱形 基础弯曲甚小，可忽略不计。故顶、底板仅 按承受局部弯曲来分析。顶板按实际荷载，底板则按各区块的均布基底反 力（不考虑底板自重），计算简图取用周边固定的双向连续板。 但在构造上考虑可能的整体弯曲影响，配筋量除按上述要求外，其纵横 方向支座钢筋尚应分别有0.15%和0.10%配筋率连通配置，跨中配筋按实际 配筋率全部连通。 2. 上部结构为框架体系 上部结构刚度较小，特别是在填充墙还未砌筑，上部结构刚度尚未完全 形成时，箱形基础整体弯曲应力比较明显。箱形基础内力分析中应同时考 虑整体弯曲作用和局部弯曲作用。 顶、底板的总弯矩为局部弯曲弯矩乘于0.8折减系数后与整体弯曲弯矩 叠加。 基底反力按5.4中反力系数法确定。计算整体弯曲作用所产生的弯矩Mg 时，引入上部结构刚度以近似地考虑上部结构和地基基础的共同作用。整 体弯矩可按下式计算： M: 整体弯曲作用产生的弯矩，可按静定梁分析或采用其它有效方法计算 ； EgIg: 箱形基础的刚度，其中Eg为箱形基础的混凝土弹性模量，Ig为按工字 形截面计算的惯性矩，工字形截面的上下翼缘宽度分别为箱形基础顶、底 板的全宽，腹板厚度为在弯曲方向的墙体厚度的总和； EBIB: 上部结构的总折算刚度，按下式计算（见图5-9）。 （5-15） 式中，Eb：梁柱混凝土的弹性模量（kN/m2）；Kui、Kli、Kbi：第i层上柱 、下柱和梁的线刚度；其值分别为 ： Kui = Iui/ hui，Kli = Ilii/ hli，Kbi = Ibi/ l。 Iui、Ili、Ibi：第i层上柱、下柱和梁的截面惯性矩（m4）； hui、hli：第i层上柱、下柱的高度（m）； L、l：上部结构弯曲方向的总长度和柱距（m）； Ew：在弯曲方向与箱形基础相连的连续钢筋混凝土墙中混凝土的弹性模 量（kN/m2）；Jw：在弯曲方向与箱形基础相连的连续钢筋混凝土墙的 截面惯性矩（m4），Jw =bh3/12； b、h：墙体的厚度与高度（m）； m：弯曲方向的节间数；n：建筑物 的层数。 5.5.2 箱形基础墙体截面剪力计算 箱形基础墙体截面剪力计算，按墙体位置，分纵墙截面剪力计算和横墙 截面剪力计算两种情况。 (1) 纵墙截面剪力计算 将箱形基础视作一根在外荷载和地基反力共同作用下的静定梁，求出 各支座（横墙）左、右截面上的总剪力Vj，l（r）（图5-10），然后将总剪 力根据纵墙面积和柱子所承受竖向荷载大小分配至各道纵墙上；第i道纵 墙j支座左、右截面所分配到的剪力Vij，l（r）可按下式计算 第i道纵墙j支座左右截面设计剪力应按下 式进行修正： Vij，l（r）= Vij，l（r）p（A1+A2） (5-17) 式中, p:基底反力值；A1、A2: 求Vij时的 底板局部面积，按图5-11(a）中阴影部分 计算。 （2）横墙截面剪力计算 横墙截面剪力值Vij，u为图5-11（b）中阴影 面积乘以基底反力。 5.6.1 顶板和底板强度计算 （1）顶、底板斜截面抗剪强度计算 斜截面抗剪强度，应符合下式要求： Vs0.07 fc b h0 （5-18） Vs: 板所承受的剪力减去刚性角(刚性角为45) 范围内的荷载，即板面荷载或板底反力与图 5-12中阴影部分面积的乘积； fc: 混凝土轴心抗压强度设计值； b: 计算所取的板宽； h0: 板的有效高度。 图5-12 Vs计算方法示意图 5.6 箱形基础强度计算 （2）底板抗冲切强度计算 箱形基础的底板须进行抗冲切强度计算 ： Vc0.6ftuh0 （5-19） Vc: 基底反力（不包括底板自重引起的部 分）乘以图5-13中阴影部分面积； ft: 混凝土轴心抗拉