地库设计-基础

叮叮小文库第二课：地下车库的主体设计 之 基础篇 第二课：地下车库的主体设计 之 基础篇 一 地下车库的类型和组成部分我们经常碰到的地下车库有独立地下车库和附着在地面建筑下与上部建筑合建的附建式地下车库；我们可以把地下车库它看成是一个放在水和土里的盒子，社会上有一种说法很形象，就像是一艘船，因为水对地下车库的影响最大，如果这艘在水中的船有一定的吃水深度，并且不漏水，那么这艘船就比较安全；我们希望利用场地的地下空间来为人们服务，但地下室是比较潮湿的，而且光线很差，所以最适合的是停放自行车或汽车，早期上海有些多层建筑还会做半地下室，对于半地下室，规划规定了可以伸出地面的高度，露出地面的这一小段几乎开满了窗，这样就解决了自然通风问题，光线也有所改善。为了满足车库的使用要求，除去需要做一个顶板、底板、外墙围起来的防水盒子之外，还需要设置用于收集洗车油污的隔油池及收纳洗车水的集水井，在地下室建筑面层里做排水沟将水排入集水井，还需要设置人们取车出入的楼梯、与主楼连接的连通口、汽车出入的坡道或者自行车出入的坡道；对于要求稍高的车库，还会设置采光井、设备吊装口、机械式车库垂直运输口；如果涉及到人防工程，还需要用混凝土墙设置一些密闭通道、临空墙。对于结构专业的设计，基础（含底板）、顶板、外墙、坡道、楼梯、连通口是设计、计算、绘图的主要内容，我们的课程主要围绕这些方面来讲。二 荷载计算我们在设计车库前，先要把整个车库的荷载情况搞清楚，车库顶板上的荷载包括覆土、板自重、吊顶和使用功能上要求的各种活荷载。日常设计中容易犯错的荷载是覆土，容易遗忘的荷载是消防车和施工道路荷载。1 覆土、消防车、施工道路地下车库的覆土往往与总图是有关的，在结构进入设计时，建筑专业会给你一个覆土的厚度，因为建筑专业与总图属于一个大专业，所以他们有责任口述给你这个值，为了保险起见，设计时必须自己将总图再看一遍，在看总图时记录下市政道路标高、小区道路标高、覆土或绿化标高、并将消防车道及消防登高面做成图块粘贴到结构平面图上，另外向甲方了解未来景观设计可能的局部堆土高度，确认景观问题后整理进联系函，以为因景观修改而引起图纸修改费用时提供依据；对于市区项目以及一些建设场地小的项目，初步判断施工车辆及材料堆放的可行性，在有疑问时，让甲方组织总包来确认顶板是否需要考虑额外的施工荷载，确认后整理进联系函，交给专业负责人，并由项目负责人审核后传真至甲方。2 水位问题对于每一个地下室来说，都存在高水位、低水位，首先将地质报告看一遍，找到所有与水位有关系的条文，将它们记录下来，例如上海工程，枯水期的月份及水位变化范围、丰水期的月份及水位变化范围，实测野外工作是在几月份，查看是否有根据上海常规，高水位距室外地面0.5m，高低水位差1m的叙述内容。如果缺少可以用于确定高、低水位标高的内容，应向勘探单位提出要求。对于上海工程、填土区，根据地质报告，根据水位为室外地面以下0.5m的说法，我们认为在远离市政道路，小区中间部分，水位会随填土高度的增加有所上升，高水位可以取小区内道路标高以下0.5m；对于车库位于小区边，临近市政道路处，高水位可取市政道路标高以下0.5m。整个小区根据这个原则高水位是个变化值，我们可以在车库沉降缝的两侧分别取不同的高水位，或者根据变化线取平均值，这样可以节约一些。计算低水位时，低水位可以根据地质报告提出的高低水位差1m来取高水位减1m，这样的取法有很多车库的实际工程经验，比较节约竖向桩，但对于上部有建筑物的地下室，低水位另外应满足枯水期最低水位及孔点以下1.5m，这是最不利低水位。水位的取法，及最终标高内容应放入设计评审表，由校对、审核、主任工程师及总师参加定案。3车库简图的绘制方法及荷载计算书举例下图反映了一个车库的标高情况，在计算书中，这个图例是必要的，本图主要反映了建筑层与结构层的尺寸关系、地面以上建筑物与地下室的关系、地下室层高、高水位、低水位、覆土厚度、桩顶标高、梁大小、底板厚度，可以使建筑专业、设备专业及校对、审核人员方便的了解本工程。恒荷载独立车库部分：覆土：600mm （填土） 18x0.60 kN/m2顶板：180mm 25*0.18 kN/m2粉刷： 0.50 kN/m2附建式部分：面层：50mm 25x0.05 kN/m2顶板：180mm 25*0.18 kN/m2粉刷： 0.50 kN/m2活荷载餐饮： 4.0 kN/m2 （根据规范及甲方需要）消防车：后详述顶板上的室外部分： 4.0 kN/m2 （根据规范及甲方需要）3 消防车等效荷载的计算消防车的标准轮压及不同深度处的压力标准值的计算全国民用建筑工程设计技术措施P102建筑结构荷载规范GB50008-2001（2006年版） 表4.1.1项次8中消防车引起的楼面等效均布活荷载标准值，适用于消防车轮压直接作用于楼板顶面（楼面建筑做法采用一般做法），且只考虑一个最大轮压标准值为60Kn，作用在0.6x0.2m的局部面积上，布置在楼板跨中的最不利位置处情况。因此当楼板跨度较大及板顶面有覆土时，在设计中应考虑多台消防车轮压在覆土层中的扩散影响。 对地下室楼板顶面有覆土层，且可能有多台消防车作用于覆土层地面时，楼板设计宜符合下列规定：1） 地面上多台消防车最不利停放布置按消防车横向最小轮间距为1.3m考虑（此距离为消防人员操作最小通道尺寸），将最大轮压布置于板跨度中央，据此确定多台消防车轮压的影响。2） 通常消防车由汽车底盘改装而成，因此可采用图F.2-2中城-B级汽车的技术数据进行设计。插图中，上图反映了车轮间距、车轮大小、极限行车道路宽度、最小消防车行车间距；因消防车实际大小与载重种类很多，我们目前设计考虑的为30t消防车，上图消防车实际大小参照全国民用建筑工程设计技术措施 结构P15，中30t车辆大小定位2.5mx（7.48m）。3） 轮压标准值局部荷载在覆土层中的扩散影响可按下列公式计算以上2个公式分母为计算多个轮压组合后的作用面积，分子为轮子的标准内力，共6个轮，前2个分别每个30Kn，后4个，每个60Kn，轮压按35度角向周围土中扩散。总图中4m的消防车道可走1辆消防车，7m的消防车道、消防车回转处、消防等高面等宽度较大处应考虑2辆消防车可同时行进或停靠。举例，1m覆土，主梁跨度8.4x8.4m，总图消防车道4m（仅能走一台消防车），下图虚线为扩散后在地下室顶板上荷载的分布面积：覆土厚度根据表 F.2 u=1.0（消防车轮压动力系数）覆土厚（m）0.250.300.400.500.600.70动力系数u1.301.251.201.151.051.00前轮qVk=30/（1.65*1.65）=11.01 Kn/m2后轮 qVk=4x60/（2.85x3.80）=22.10 Kn/m2注意此数值与表F2.2结果稍有区别，表中数值为2台消防车计算结果；当多于2台消防车组合计算同上算法，不可查表。这时我们完成了动力荷载向静力荷载的转换。等效活荷载根据荷载规范附录B楼面等效均布活荷载的确定方法，楼面（板、次梁及主梁）的等效均布活荷载，应在其设计控制部位上，根据需要按内力（如弯矩、剪力等）、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下，可仅按内力的等值来确定；连续梁、板的等效均布活荷载，可按单跨简支计算。根据上述原则，在等效消防车荷载时，实际需要考虑3种情况，板的等效荷载、次梁的等效荷载及主梁的等效荷载，将消防车在区格中移动可以找到各个情况的最不利情况。应该说将动力荷载模拟成相对准确的等效静力荷载的工作量还不如直接做动力分析，但PKPM并没有提供这样的计算功能，规范也允许我们进行等效，所以需要有一个在规范允许范围内能够接受的等效方法，我们为了能够简化设计，把这个等效问题分解为局部等效计算与整体等效计算。例如，对于井字梁或一横二纵梁，毋庸置疑，如果将消防车的4个后轮放置在次梁的小区格内，对于这个区格的荷载将是最大的，但由于消防车在规定的车道宽度内可以靠左或靠右行驶，实际进入了次梁的不同区格，如果将能走到的小区格都输入这个最大值荷载，显然是不合适的，就像后轮被考虑了6到9次，所以对于这个情况不属于整体模型荷载模拟的范畴。我们只要进行手工局部复核，复核不利分布情况下，当有一台车停在这格内次梁的配筋及板的配筋，最终让消防车道上的梁和板都满足这个配筋。整体等效计算更能够反映消防车的荷载对于主体结构，即主梁、大分区格的次梁、基础。计算方法是将一个大的区格看作研究对象，四周的支撑条件为简支，计算出一个均布荷载作用下的弯矩等于消防车荷载作用下的弯矩，以下举例说明：1m覆土，主梁跨度8.4x8.4m，总图消防车道7m（能同时走两台消防车），计算消防车行进道路上的等效活荷载，见下图。把轮子的荷载中心放在双向板的中心，让跨中弯矩最大；注：本图反映的是在消防道路行径方向，消防车头尾相连前行的情况，如果在消防车回转场地、消防等高面处，有尾尾相连停靠的可能，因此在这种场地应另行按照以下计算方法进行计算。经过1m覆土的35度扩散，得到下图阴影部分：Q1=60x8/(2.85*6.9)=24.4 kn/m2Q2=30x4/(1.65x6.55)=11.1 kn/m2使用PKPM - 特种结构 - GJ - 板结构设计计算 - 异型板分别计算2个荷载作用下的3个控制点，即荷载1的中心，板中心，荷载2的中心，得控制点1控制点2控制点3荷载148.237.46.5荷载224.112.750.241.519.2最不利弯矩组合是50.2使用PKPM - 特种结构 - GJ - 板结构设计计算 - 矩形板当板面荷载输为16.1 kn/m2时，所得弯矩M=50.3 kn*m，结果如下图，与上述计算值50.2相当，因此16.1为等效均布活荷载，。三地下车库基础的选型基础形式应根据上部荷载及地质条件来确定，可以分为常规桩基础、独立基础、筏板基础，在地下水位比较高的地块，采用桩基础具有优势，因为对于桩基础，在高水位时可以作为抗拔桩，在低水位时可以作为竖向承压桩；而采用后两种基础对于水位较高并且变化较大的地块，为了满足抗浮要求需要增加自重，导致混凝土用量增加，在低水位时，这些增加的重量又成了地基的负担，并且在地基反作用力下导致基础底板受力增大，因此上海地区一般车库工程均采用常规桩基础，早期常用预制混凝土方桩，现阶段常用PHC桩，通常施工最简单的做法是设置桩承台，在计算防水底板时，桩承台可兼作柱帽，从而减小防水板的厚度。全国有些地区的工程，尤其是海拔较高的地区，水位并不像上海地区有明显的枯水期和丰水期，水位比较低，加之车库底板底持力层地基承载力相当大，此时可以选择采用独立基础，把防水底板作到250厚左右，也是一种比较经济的做法。四 抗浮计算我们可以用PKPM来准确计算出每个柱子下需要多少根抗拔桩才能满足抗浮要求。恒荷载： 车库重量（覆土、顶板、底板、底板面层）*1.0 - 高水位水头*10*1.05活荷载： 0上述公式中，原常取0.9，2006版荷载规范P134页指出在倾覆、滑移或漂浮等有关结构整体稳定性的验算中，永久荷载效应一般对结构是有利的，荷载分项系数一般应取小于1.0；上述公式中，原常取1.2，2009版全国民用建筑工程设计技术措施P106，F.4.5中指出当建筑物的结构抗浮验算无明确规定时，按F.4-1公式计算，其中抗浮安全系数，不应小于1.0，一般取1.051.10。把上述计算得到的结果填入PKPM顶板层中，使用PMCAD-平面荷载显示及导荷，分项系数均取1.0，最终柱底力如果为负值，说明需要另加抗拔桩，并且以此数据来计算抗拔桩的根数，以下是某个工程抗浮计算的结果：五 PHC桩计算（1）桩承载力计算0.000相当于绝对标高: 6.350 米，桩顶绝对标高: 1.050 米 桩型: 敞口 PHC A400 80 ， 桩长:19 米 根据地质报告 10-10 剖面, C9孔 点计算，孔口绝对标高:4.44 米 土层序号土层名称层底绝对标高(m)桩入土厚度(m)fs(kPa)fp(kPa)1杂填土3002灰黄色粉质粘土1.9003灰色淤泥质粉质粘土0.440.61154夹灰色砂质粉土-0.561155灰色淤泥质粉质粘土-2.061.5206灰色淤泥质粘土-11.369.3257暗绿色粘土-15.464.160150081草黄色砂质粉土-202.49704000高水位绝对标高:3.250 米桩型：PHC A400 80 1单桩竖向承载力设计值计算Up=*d=3.14*400/1000=1.256 mfsi*li=0*0+0*0+15*0.61+15*1+20*1.5+25*9.3+60*4.1+70*2.49=706.95 kN/mRsk=Upfsi*li=1.256*706.95=887.93 kNhb=2.49 mhb/d=2.49/400*1000=6.23hb/d5,p=0.80d1=d-2*t=400-2*80=240 mmAj=/4*(d2-d12)=3.14/4*(4002-2402)=.0804 m2Apl=3.14/4*d1Apl=3.14/4*2402/1000000=.0452 m2Rpk=fp*(Aj+p*Apl)=4000*(.0804+.8*.0452)=466.24 kNp=Rpk/(Rpk+Rsk)=466.24/(466.24+887.93)=.34 分项系数表 s,pp.05.1.15.2.25.3.35.4.45p1.021.051.081.121.181.241.31.411.5s1.641.71.751.791.821.831.81.761.69p=1.29 , s=1.81 Rd=Rsk/s+Rpk/p=887.93/1.81+466.24/1.29=852 kN单桩竖向承载力设计为 852 kN 2单桩竖向抗拔承载力设计值计算.地基土提供的竖向抗拔承载力Up=*d=3.14*400/1000=1.256 mi*fsi*li=.6*0*0+.6*0*0+.6*15*0.61+.6*15*1+.6*20*1.5+.6*25*9.3+.6*60*4.1+.6*70*2.49=424.17 kN/mUp/sfsi*li=1.256/1.6*424.17=332.97 kN水位：3.250-(1.050-19)=21.2 m桩底水头=21.2 mGp=(25*L-10*1.2*桩底水头)*Aj=(25*19-10*1.2*21.2)*.0804=17.74 kNRd=Up/sfsi*li+Gp=332.97+17.74=351 kN 根据混凝土有效预压应力计算管桩桩身最大抗拔承载力Nl=pc*A=3.44*3.14*(4002-(400-2*80)2)/4/1000=277 kN 接桩采用焊接时对接焊缝最大抗拔承载力Nl=3.14*(D2-Df2)*ftw/4=3.14*(400-2)2-3762)*185/4/1000=2,473 kN 单桩竖向抗拔承载力设计为 277 kN*提示：一般抗拔承载力由、项计算控制填芯混凝土深度计算：Rd*D2*L1*ft D2-管桩内径；-粘结系数，取0.3；ft-C30时取1.43计算求得L1800；对于凿桩，使管桩端板对预应力钢筋的锚固受破坏，在凿桩段预应力未充分传递，故建议L1应不小于预应力钢筋锚固长度，并依据先张法预应力混凝土管桩基础技术规程（DB33/1016-2004）有关规定取L1=3000mm。L1Rd/D2/ft277*1000/0.3/3.14/（400-80*2）/1.43856 mm锚筋计算锚筋钢筋面积 AsRd/fy根据前述的荷载导荷图及单桩抗拔承载力，我们可以计算出抗拔桩的数量。六 常见桩承台+防水底板的基础设计上海地区目前车库基础流行的做法是采用带桩承台的常规桩基础配合防水底板，这种做法中大面积的平板使施工比较简单，另外桩承台兼作柱帽，减小了板的跨度，板厚与配筋相应减小，使工程费用也相对经济，受到了建设单位的普遍认同。今天我们将重点介绍使用新版JCCAD软件来解决桩承台加放水板的做法。1 常规桩基础的带承台基础设计方法首先，在JCCAD使用时，必须把标高问题搞清楚，08版的PKPM增加了很多填入标高的项，使SATWE、孔点输入、基础计算在同一个明确的标高系统中，比之前的版本更合理。.PMCAD中的标高楼层组装中，输入地下室层时，不可选自动计算底标高，应手工填入基础顶的相对标高这样输入的底标高与图纸的相对标高一致，也比较清楚。设计参数中，与基础相连构件的最大底标高，输入底板顶的标高 JCCAD中的标高孔点输入中的标高此处结构物0.000对应的地质资料标高是整个JCCAD唯一个填写绝对标高的地方，其实对于软件计算本身来说，没有必要去明确这个关系，这一项完全是为了孔点输入之后会自动形成层底标高而设的，见下图，也就是计算书的美观问题；很多设计者正是因为这里填写了绝对标高，使后面的一些标高系统变得难以理解，建议使用最简单的方法，把此处0.000对应的地质资料标高填为0.00，此时孔口标高也填写0.00，那么第一层填土的厚度为原地质报告中孔口到层底距离另加孔口到一层楼面的距离，这样的输入是填土顶标高等于室内地坪标高，与上海常用的启明星软件一致，也是合理的输入方式。之后在JCCAD里所有的标高可以都输入相对标高，不会产生矛盾。这是基础人机交互中参数输入处需要填写的室外自然地坪标高，可以真实的填入相对标高以下我们来看一个具体的工程实例一个局部地下室的工程，大底盘车库上有2栋号楼，中间和边缘部分为场地通道，在PMCAD、SATWE计算完毕后进入JCCAD菜单。地质资料输入我们先输入一个标准孔点，见下图表中的参数均来自于地质报告，其中要注意的是，由于孔口标高设为0.00，第一层土即填土的顶标高应为室内地坪；另外表中18层土压缩模量未修改，因为对于常规桩基础，压缩模量用于计算桩沉降，只有桩底以下才需要输入压缩模量。确定后布置孔点，然后选单点编辑，进入下图可以通过此处修改孔口X、Y坐标来使孔点满足地质报告的位置关系；往复修改标注孔点、输入孔点、单点编辑，我们可以将地质标高的孔点汇成由于计算的电子地质资料，见下图：保存退出。基础人机交互选择地质资料，将地质资料根据总图关系对位建筑物；点取参数输入，选择基本参数第一页：地基承载力计算参数土的参数均为地下室底板底所在土层的地质参数，基底以上土的加权平均重度为地水位时的计算结果；埋置深度为室外地坪到底板底；单位面积覆土重为20x室内地面至底板顶面距离；第二页：基础设计参数室外自然地坪标高为图纸中的相对标高；第三页：其它参数地下水距天然地坪深度输入低水位时的情况荷载输入，选取SATWE计算结果，如下图选择承台桩 定义桩准备工作：查看SATWE的D+L每根柱下的N值，考虑标准柱下合适的布桩为尽量6桩以下，再结合桩承载力估算桩长，例如本工程地上4层，个人认为56桩承台是可以接受的。在这个前提下，我们初定为PHC AB500 100 1414，单桩竖向承载力设计值为1750。根据高水位的水浮力，估算底板柱帽大小，柱帽大小计算我们下节课重点讲，这是承台的最小尺寸和厚度。PHC桩选择预制砼管桩，单桩承载力输入设计值输入用于自动形成承台的参数，桩间距3.5d，桩边距1d，为了兼做柱帽，承台阶数为1阶，承台高度暂定为1000mm；选择自动