基础工程课程设计计算书-柱下钢筋混凝土独立基础、双柱联合基础设计

基础工程课程设计基础工程课程设计说明书 题 目： 柱下钢筋混凝土独立基础、双柱联合基础设计 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 专 业 年 级： 土木工程专业2016级（3） 所 在 学 院： 土木工程学院 完 成 日 期： 2019年5月26日 目 录课程设计任务书3附件 地质资料5一、地形地貌与岩性特征5二、岩土工程分析评价6三、结论与建议7设计步骤9一、确定基础材料，类型和平面布置9二、确定基础埋深9三、确定地基承载力特征值9四、D轴柱下基础设计9（一）确定基础尺寸10（二）验算基底压力10（三）确定基础高度10（四）基础抗冲切验算10（五）配筋计算11五、F、E轴柱下钢筋混凝土双柱联合基础设计12（一）确定荷载的合力和合力作用点12（二）计算基础底面宽度12（三）验算地基承载力13（四）计算基础内力13（五）基础高度13（六）配筋计算14六、地基沉降验算15（一）单独基础沉降量15（二）双柱联合基础沉降量16（三）沉降差16七、地梁设计17（一）外墙地梁设计17（二）内墙地梁设计18青海大学土木工程学院课程设计任务书专业土木工程班级土木工程2016（1）人数50一、设计题目柱下钢筋混凝土独立基础、双柱联合基础设计二、设计条件（基础资料）（一）工程概况某中学五层教学楼，全框架结构，室内外高差为0.45m，底层柱网平面如图所示。 （二）地质资料 详见附件（三）抗震设计条件本工程为重点设防乙类建筑，场地土为II类。建设场地的地震基本烈度为7度，设计地震分组为第三组，建筑结构抗震等级为框架二级，设计使用年限为50年。（四）荷载上部荷载：轴处：D轴，基础承受上部荷载Mx=239.4kNm，Fk =1754.9kN，Vx=44.4kN；E轴，基础承受上部荷载Mx=-265.1kNm，Fk =1835.2kN，Vx=-58.2kN；F轴，基础承受上部荷载Mx=255.6kNm， Fk =2144.2kN，Vx=54.7kN；G轴，基础承受上部荷载Mx= -212.1kNm，Fk =1889.3kN，Vx= -43.8kN。轴处：D轴，基础承受上部荷载Mx=319.4kNm，Fk =1720.8kN，Vx=69.9kN；E轴，基础承受上部荷载Mx=-339.2kNm，Fk =2016.1kN，Vx=-72.9kN；F轴，基础承受上部荷载Mx=345.5kNm， Fk =2075.5kN，Vx=75.6kN；G轴，基础承受上部荷载Mx= -323.5kNm，Fk =1777.9kN，Vx= -72.3kN。三、设计内容1. 设计柱下钢筋混凝土独立基础、双柱联合基础；2. 绘制基础平面布置图、基础详图并编写计算说明书。附件 地质资料一、地形地貌与岩性特征1.地形、地貌场地地貌属山间沟谷地带，场地地形略呈南高北低。地面高程2647.782651.90m，相对高差4.12m。高程引测点为场地东侧原有教学楼西南角点散水，高程2651.80m。2.地层本次勘察查明，在勘探深度范围内，场地地层由第四系冲、洪积物（Q41aL+pl）组成，地层较复杂，现分述如下。耕土（Q4ml）：灰褐色、土黄色等素色，稍湿，松散,主要成份为粉土,含有少量植物根系，该层厚0.20.5m。湿陷性黄土状土（Q41al+pl）：褐黄色、淡黄色。以粉土为主，土质较均匀，无层理，根孔发育，稍湿，稍密中密，以稍密为主。干强度低，韧性低，无光泽反映，摇振反应中等，该层层厚2.32.5m，顶面埋深0.20.5m。 卵石（Q41al）：青灰色、灰白色，稍湿，稍密，最大粒径80mm，其中粒径大于20mm者约占50.653.5%，其余为中粗砂充填，卵石磨圆度较好，分选性一般，呈亚圆状，成份主要由石英岩、黑云斜长花岗岩及其它暗色变质岩组成。该层顶面埋深2.62.8m,勘察控制厚度5.25.6m（未揭穿）。3.土的物理力学性质评价湿陷性黄土状土（2）含水量15.7021.30%，平均17.89%，稍湿。孔隙比e为0.9211.120，平均0.995，稍密。压缩系数0.29-0.46 MPa1，平均0.37MPa1，属中压缩性土，力学性能较差。卵石层（3）在水平、纵向上分布稳定，厚度大，根据取样筛分试验和建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)附录B表B.0.1碎石土野外密实度鉴别方法鉴别属稍密状态，结合野外鉴别综合判定为稍密，物理力学性能好。4.湿陷性评价拟建场地（2）黄土状土层具湿陷性，湿陷系数0.0150.049，湿陷程度中等，湿陷深度为2.62.8m，自重湿陷量的计算值（zs）为66.60-87.60mm，湿陷量的计算值（s）为64.5082.95mm，场地为(中等)自重，整个场地按(中等)自重湿陷性场地对待。5.场地土腐蚀性评价场地中耕土厚度较小，0.2-0.3m，施工时全部挖除，故未取易溶盐分析。在场地探井中取黄土状土样进行了易溶盐分析，分析表明：含盐量0.1100.124%，属非盐渍土。其中PH值为8.21-8.26，土中SO42-含量为282.00350.00mg/kg，Cl-含量96.00140.00mg/kg。在场地探井中取卵石样进行了易溶盐分析，分析表明：含盐量0.1110.122%，属非盐渍土。其中PH值为8.22-8.28，土中SO42-含量为214.00388.00mg/kg，Cl-含量88.00-158.00mg/kg。按类环境判定，场地黄土状土、卵石均对混凝土结构微腐蚀性，按地层渗透性评价，场地土对混凝土结构具微腐蚀性；综合判定场地土对混凝土结构具微腐蚀性。场地土对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构按PH值判定具微腐蚀性，按临近场地电阻率值大于100M判定，场地土对钢结构具微腐蚀性。土对建筑材料腐蚀性的防护应符合工业建筑防腐设计规范GB50046-2008的规定。二、岩土工程分析评价1.场地的稳定性和适宜性拟建场地地层由第四系冲、洪积物组成，在勘察中及其周围未发现滑坡、崩塌、地陷、泥石流等其它不良地质作用，根据区域地质资料，场地附近无活动断裂通过，属稳定场地、适宜建筑。2.地基土均匀性评价场地上部耕土堆积时间短，结构松散，不做评价。黄土状土，分布厚度均匀，地基湿陷等级、类型较均匀，属均匀地基。卵石在水平、纵向上分布连续、厚度大，力学性能较好，属均匀地基。综合评价属均匀性地基。3.地震效应根据中国地震动峰值加速度区划图，地震动反应谱特征周期区划图和建筑抗震设计规范附录规定，本场地抗震设防烈度为7度。设计基本地震加速度值0.10g，所属的设计地震分组为第三组，设计特征周期值0.45（s），水平地震影响系数最大值max为0.08。根据建筑抗震设计规范第4.1.3条第3款，依据岩土名称和性状估算，土层剪切波速：耕土vs100（m/s），黄土状土vs200（m/s），卵石vs为300（m/s）。场地覆盖层厚度根据附近资料为25m，按20米计算的土层等效剪切波速为274.73-277.78（m/s），属中硬土。建筑场地类别为类。根据场地土质、地下水埋藏条件进行初步判定，本场地土层在15.0m深度范围内无液化地层，可不考虑地震液化的影响。拟建场地为建筑抗震的一般地段。4.地基土冻胀性评价湟中地区标准冻结深度0.85米，最大冻深1.01m。湟中县纳卜藏地区平均海拔低于湟中县鲁沙尔镇，故实际冻深可按最大冻深1.01m设计，含水量分析结果表明:冻深范围内的黄土状土的含水量15.7021.30%，平均17.89%，冻前天然含水量W19，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离大于1.5米，平均冻胀率1%，冻胀等级级，冻深范围内的黄土状土属不冻胀土。卵石中粒径小于0.075mm的颗粒含量均小于15%，卵石属不冻胀土。5.天然地基评价及承载力特征值根据拟建工程特点及场地地基条件，场地（2）层黄土状土设计时可按一般性场地土对待，可作为地基持力层。卵石层在水平、纵向上分布均匀稳定、厚度大，属稍密状态，力学性能好，属良好的天然地基土。当基础宽度3.0m，埋深0.5m（湿陷性黄土状土1.5m）时，场地各层土的地基承载力特征值（fak）、压缩模量（Es）及变形模量（Eo）可采用下列值：（2）湿陷性黄土状土 fak=150kPa Es=5.19MPa（3）卵 石 fak =360kPa Eo=23.5MPa三、结论与建议1.本次勘察结果表明，拟建场地地势略呈西北低东南高，周围无滑坡、崩塌、泥石流、地下洞穴等不良地质现象，场地、地基稳定，可进行本工程建设。2.拟建场地（2）黄土状土层具湿陷性，湿陷系数0.0150.049，湿陷程度中等，湿陷深度为2.62.8m，自重湿陷量的计算值（zs）为66.60-87.60mm，湿陷量的计算值（s）为64.5082.95mm，场地为(中等)自重，整个场地按(中等)自重湿陷性场地对待。3.根据拟建工程特点及场地地基条件，提出如下基础建议：场地（1）层耕土严禁作为基础持力层，应予清除。鉴于（2）层黄土状土厚度较小，基础埋深大于1.5米时，剩余土层厚度较小，建议清除。建议以（3）层卵石层为基础持力层，将基础置于天然地基卵石层上，基础形式采用条形基础或独立基础。4.场地黄土状土、卵石均对混凝土结构具微腐蚀性，按地层渗透性评价，场地土对混凝土结构具微腐蚀性；对钢结构按PH值判定具微腐蚀性，按临近场地电阻率值大于100M判定，场地土对钢结构具微腐蚀性。土对建筑材料的防腐措施请按工业建筑防腐蚀设计规范GB500462008有关规定采取相应措施。5.当基础宽度3.0m，埋深0.5m（湿陷性黄土状土1.5m）时，场地各层土的地基承载力特征值（fak）、压缩模量（Es）及变形模量（Eo）可采用下列值：（2）湿陷性黄土状土 fak =150kPa Es=5.19MPa（3）卵 石 fak =360kPa Eo=23.5MPa6.本场地抗震设防烈度为7度。设计基本地震加速度值0.10g，所属的设计地震分组为第三组，设计特征周期值0.45（s），水平地震影响系数最大值amax为0.08。根据场地土质、地下水埋藏条件进行初步判定，本场地土层在15.0m深度范围内无液化地层，可不考虑地震液化的影响。拟建场地为建筑抗震的一般场地。7.场地在勘探深度范围内未见地下水，可不考虑地下水对工程施工的影响。8. 湟中地区标准冻结深度0.85米，最大冻深1.01m。实际冻深可按最大冻深1.01m设计，取冻深范围内的黄土状土的含水量析结果表明冻深范围内的黄土状土属不冻胀土。卵石中粒径小于0.075mm的颗粒含量均小于15%，卵石属不冻胀土。设计步骤一、确定基础材料，类型和平面布置场地土自上而下为0.20.5m耕土，0.32.5m湿陷性黄土，5.25.6m厚卵石层。其中层杂填土堆积时间短，欠固结，厚度不一，松散，力学性能差，不能作为持力层。层卵石承载力高，故选用卵石层作为基础持力层，又根据荷载情况选定D、G轴：钢筋混凝土独立基础；E、F轴：钢筋混凝土双柱联合基础。图一：基础埋深示意图二、确定基础埋深已知该场地经验冻土深度：1.01m，基础埋深需在冻土深度以下；卵石层顶面埋深为2.62.8m，故选择基础底面标高-3.0m，故取基础埋深d=3.0m，底部垫层取100mm。三、确定地基承载力特征值 耕土重度 1=15kNm2 湿陷性黄土重度 2=15.9kNm2m=1d1+2d2d=16.1kNm2 查表得d=4.4fa=fak+dmd-0.5+db-3=360+4.416.13-0.5=537.1kPa四、D轴柱下基础设计（一）确定基础尺寸 A1=Ffa-d=1720.8537.1-203=3.61m2考虑偏心荷载作用 将基地面积扩大1.4倍：A=1.4A1=5.1m2采用方形基础b=A=2.26m,取b=2.4m（二）验算基地压力 Gk=202.423=345.6kN M=Mk+Vkd=319.4+69.93=529.1kN pkmaxpkmin=Fk+GkblMW=588.39kPa129.11kPa pkmax=588.39kPa1.2fa=644.5kPa pk=12(pkmax+pkmin)=358.75kPa0故基础的设计尺寸满足要求，确定基底尺寸为:2.42.4m。 （三）确定基础高度 采用C30混凝土，HRB400钢筋F=1.35Fk=2323.08kN M=1.35Mk=431.2kNm V=1.35Vk=94.4kN1.计算基地净反力 pn=FA=2323.085.76=403.3kPafa偏心距：e0=M/F=(431.2+94.43)/2323.08=0.3ml/6=0.4m pnmaxpnmin=pn16el=403.3160.32.8=705.8kPa02.基础高度初选基础高度700mm，采用阶梯形基础，上层300mm，下层400mm，设有100mm垫层，h0=700-50=650mm（四）基础抗冲切验算1、柱边基础截面抗冲切验算 bb=bc+2h0=0.5+20.65=1.8mb=2.4m冲切角椎体底面在基底面积之内 bm=bc+h0=0.5+0.65=1.15m A1=l2-ac2-h0b-b2-bc2-h02 =2.42-0.52-0.652.4-2.42-0.52-0.652=0.63m2 则冲切力：Fl=PnmaxA1=705.80.63=444.7kNC30混凝土的抗冲切强度 0.7hpftbmh0=0.7114301.160.66=748.2kNFl0.7hpftbmh0 满足要求。2、变阶处抗冲切验算取b1=l1=1.2m，则h01=350mm b1+2h01=1.2+20.35=1.9mb=2.4m冲切角椎体底面在基底面积之内 bm1=b1+h01=1.2+0.35=1.55m A2=l2-l12-h01b-b2-b12-h012=2.42-1.22-0.352.4-2.42-1.22-0.352=0.54m2 则冲切力：Fl=PnmaxA2=705.80.54=381.1kNC30混凝土的抗冲切强度 0.7hpftbm1h01=0.7114301.550.35=543.04kNFl0.7hpftbmh0 ，满足要求。（五）配筋计算1、-截面 Pn=Pnmin+l+ac2lPnmax-Pnmin=466.3kPa悬臂根部的地基净反力： Pn=12Pn+Pnmax=12466.3+705.8=586.05kPa计算-截面的弯矩M=124Pnl-ac2bc+2b=124586.052.4-0.520.5+22.4=467.2kNm As=M10.9fyh0=467.21060.9360650=2218.4mm2 Asb=2218.42.4=924.3mm22、-截面Pn=Pnmin+l+l12lPnmax-Pnmin=100.8+2.4+1.222.4705.8-100.8=554.55kPa 悬臂根部地基净反力 Pn=12Pn+Pnmax=12705.8+554.55=630.2kPa 计算-截面的弯矩 M=124Pnl-l12b1+2b=124630.22.4-1.221.2+22.4=226.9kNm As=M30.9fyh01=226.91060.9360350=2000.9mm2 Asb=2000.92.4=833.7mm2综上采用-截面配筋，选用 C12120，实际配筋As=2260.8mm2。3、-截面M=124Pnb-bc2ac+2l=124403.32.4-0.520.5+22.4=321.5kNm As=M20.9fyh0=321.51060.9360650=1526.6mm2 Asb=1526.62.4=636.1mm24、-截面M=124Pnb-b12l1+2l=124403.32.4-1.221.2+22.4=145.2kNm As=M0.9fyh0=145.21060.9360350=1280.4mm2 Asb=1280.42.4=533.5mm2综上采用-截面配筋，选用C10120，实际配筋As=1596.6mm2。五、F、E轴柱下钢筋混凝土双柱联合基础设计（一）确定荷载的合力和合力作用点柱1和柱2作用在基础底面的竖向荷载分别为F1（F轴），F2（E轴）,F1=2075.51.35=2801.9kN，F2=2016.11.35=2721.7kN，合力F=F1+F2=5523.6kN，由对柱1轴心取距有：Fx0=F2l1，则x0=F2l1F，其中l1=3.6m，所以x0=1.77m，取l0=1/3l1=1.2m，以O点作为基底形心，则l=2（l0+x0）=5.94m，取l=6.0m。（二）计算基础底面宽度fa=518.8kPa，Fk=F/1.35=4091.6kN先不考虑偏心：b0Fkl（fa-20d） = 1.48m，考虑偏心：b（1.051.10）b0，取b=2.0m。（三）在确定基础面积条件下，验算承载力是否满足1、对于柱1： pkmaxpkmin=Fk+GkblMW=283.36kPa186.03kPa Pkmax=283.36 kPa1.2fa,满足 Pk=234.7kPafa,满足 Pkmin=186.03KPa0，满足2、对于柱2： pkmaxpkmin=Fk+GkblMW=277.14kPa182.26kPaPkmax=277.14kPa1.2fa，满足Pk=229.7 kPafa，满足Pkmin=182.26kPa0，满足综上所述，承载力满足要求。（四）计算基础内力 基础沿纵向的净反力：bPn=F1+F2l, Pn=F1+F2bl =464.9 kPa，由剪力为0的截面确定最大弯矩的截面位置，假定弯矩最大截面至基础左端的距离为x，则V=bPnx-F1，当V等于0时，x=F1bPn =3.01m，所以，Mmax= 12bPnx2-F1（x-l0）=-859.4kNm伸出端弯矩：M=12bPnl02=122.0464.91.21.2=669.5kNm。（五）基础高度初选h0=550mm，C30混凝土1、抗冲切强度验算：考虑沿柱全周边的冲切作用，Fl0.7hpftbmh0对于柱1：冲切力：Fl=F1-PnA1，其中A1=（l0+12ac1+h0）（bc1+2h0）=3.2m2， Fl=F1-PnA1=2801.9-464.93.2=1314.2kN， bm=2（l0+12ac1+12h0）+（bc1+h0）=4.5m， C30混凝土抗冲切强度：0.7hpftbmh0=0.711.434500550=2477.5kN Fl0.7hpftbmh0，符合要求。对于柱2：冲切力：Fl=F2-PnA2，其中A2=（ac2+2h0）（bc2+2h0）=2.56m2，Fl=F2-PnA2=2721.7-464.92.56=1531.6kN， bm=2（ac2+bc2）+4h0=2+40.55=4.2m， C30混凝土抗冲切强度：0.7hpftbmh0=0.711.434200550=2312.3kN Fl0.7hpftbmh0，符合要求。2、抗剪强度验算： V0.7fthbh0，计算截面在冲切破坏锥体底面边缘处。对于柱1： V=F1- bPn（l0+12ac1+h0）=942.3kN，C30混凝土抗剪强度：0.7hftbh0=0.711.432000550=1101.1kNV0.7fthbh0，所以符合要求。对于柱2： l2=6.0-3.6-1.2=1.2m V=F2- bPn（l2+12ac2+h0）=917.9kN，C30混凝土抗剪强度：0.7hftbh0=0.711.432000550=1101.1kN V0.7fthbh0，所以符合要求。综上所述，取基础有效高度h0=550mm，基础高度h=600mm符合要求。（六）配筋计算1、纵向配筋：由弯矩图得到柱位处弯矩和柱间截面弯矩，计算宽度b范围内所需的钢筋面积，分离配置且不设抗剪钢筋。柱位处：As=M0.9fyh0 = 669.51060.9360550 = 3757mm2，取实配C12180，As=3768mm2，且满足要求。柱间截面：As=Mmax0.9fyh0 = 859.41060.9360550 =4822.7mm2,取实配C12130，As=516.78mm2，且满足要求。2、横向配筋：基础横向宽度为2.0m，在柱下取一垂直于基础纵向的假想等效梁进行计算，等效梁的宽度沿基础纵向：对于柱1：等效梁宽度为：b1=ac1+0.75h0=0.9125m，等效梁底面积为：A=b（ac1+0.75h0）=1.825m2，基底净压力为：Pn1=F1A = 2801.91.825 =1535.3kPa，截面弯矩为：M1=12Pn1（b-bc12）2（ac1+0.75h0）=394.02kNm所需受力钢筋的面积：As1=M10.9fyh0 = 394.021060.9360550 =2211.1mm2， 对于柱2：等效梁宽度为：b2=ac2+1.5h0=1.325m，等效梁底面积为：A=b（ac2+1.5h0）=2.65m2，基底净压力为：Pn2=F2A = 2721.72.56 =1027.1kPa，截面弯矩为：M2=12Pn2（b-bc22）2（ac2+1.5h0）=382.8kNm所需受力钢筋的面积：As2=M20.9fyh0 = 382.81060.9360550 =2148.1mm2，综上所述，对于基础下部的横向钢筋，应综合考虑As1，As2，取实配C10100，As=2262mm2，且满足要求。 六、地基沉降验算（一）单独基础沉降量 基础面积2.42.4m，基础埋深为3m，上部荷载F=1720.8kN，碎石土的E0=23.5MPa。用规范法计算沉降量：基底压力：P=F+Gbl=354.3kPa基地附加压力：P0=P-d=354.3-16.13=306kPa初步确定计算深度：Zn=b2.5-0.4Inb=5.2m2b4m,Z=0.6mz/bl/bz/biizizi-i-1zi-1Es/KPaP0Es=izi-i-1zi-1s/m0101.00004.611.920.4642.132.13235000.0420.0415.212.170.4142.150.02235000.0003870.04159 s=0.003870.025s=0.0250.04159=0.00104m 取卵石层5.2m满足要求 预估沉降量Es=23500kPa,查表可得s=0.2修正后的沉降量S1=sS=0.20.04159=0.0083m=8.3