第10章高层建筑结构基础计算与设计课件.ppt
第10章 高层建筑结构基础计算与设计,10.1 筏板基础计算与设计10.2 箱形基础计算与设计10.3 桩基础计算与设计,本章主要内容：,10.1筏板基础计算与设计,筏板基础的选用原则： 1)在软土地基上，用柱下条形基础或柱下十字交梁条形基础不能满足上部结构对变形的要求和地基承载力的要求时，可采用筏板基础。 2)当建筑物的柱距较小而柱的荷载又很大，或柱的荷载相差较大将会产生较大的沉降差需要增加基础的整体刚度以调整不均匀沉降时，可采用筏板基础。 3)当建筑物有地下室或大型贮液结构(如水池、油库等)，结合使用要求，筏板基础将是一种理想的基础形式。 4)风荷载及地震荷载起主要作用的建筑物，要求基础要有足够的刚度和稳定性时，可采用筏板基础。 筏形基础大多采用梁板式结构的形式，当柱网间距大时，可加肋梁使基础刚度增大。它又分成单向肋和双向肋两种形式,筏板基础的设计原则,1.基础底面积的确定,基底反力应满足以下要求,2.尽可能使荷载合力重心与筏形基础底面形心相重合。如果偏心较大，或者不能满足式(10-2)第二式要求，为减少偏心距和扩大基底面积，可将筏板外伸悬挑。3.如有软弱下卧层，应验算软弱下卧层强度，验算方法与天然地基浅基础相同。,基础的沉降,基础的沉降应小于建筑物的允许沉降值，可按分层总和法或按地基基础规范规定的方法计算。如果基础埋置较深，应适当考虑由于基坑开挖所引起的回弹变形。当预估沉降量大于l20mm时，宜增强上部结构的刚度。,筏板基础的构造,1.筏板基础板厚度 等厚筏板基础板厚度一般可取200mm400mm且板厚与计算区段的最小跨度比不宜小于120，由抗冲切强度和抗剪强度验算确定。有悬臂筏形基础，可做成坡度，但边端厚度不小于200mm。筏板基础悬挑墙外的长度，横向不宜大于1000mm，纵向不宜大于600mm。如果采用不埋式筏板基础，四周必须设置连梁。,2.筏板基础配筋筏板基础配筋由计算确定，按双向配筋，并考虑下述原则： (1)平板式筏板基础按上板带和跨中板带分别计算配筋，以柱上板带的正弯矩计算下筋，用跨中板带的负弯矩计算上筋，用柱上和跨中板带正弯矩的平均值计算跨中板带的下筋。 (2)肋梁式筏板基础在用四边嵌固双向板计算跨中和支座弯矩时，应适当予以折减。对肋梁取柱上板带宽度等于柱距，按T形梁计算，肋板也应适当地挑出l613柱距。 配筋除满足上述计算要求，纵横向支座配筋尚应有0.15配筋连通，跨中钢筋按实际配筋全部连通。,(3)墙下筏板基础适用于设有人工垫层的软弱地基及具有硬壳层的比较均匀的软土地基上，建造6层及6层以下横墙较密集的民用建筑。墙下筏板基础一般为等厚度的钢筋混凝土平板，混凝土强度等级可采用C30，对于地下水位以下的地下室筏板基础，必需考虑混凝土的抗渗等级，并进行抗裂度验算。筏板基础垫层厚度一般为100mm。 筏板基础配筋除符合计算要求外，纵横方向支座钢筋尚应分别有0.15、0.10配筋率连通，跨中钢筋按实际配筋率全部连通。底板受力钢筋的最小直径不宜小于8mm。当有垫层时，钢筋的保护层厚度不宜小于35mm。,筏板基础内力简化计算方法,采用刚性法时，基础底面的地基净反力可按下式计算,采用刚性法计算时，在算出基底地基净反力后，常使用倒楼盖法和刚性板条法计算筏板基础的内力。,1.倒楼盖法 倒楼盖法计算基础内力的步骤是将筏形基础作为楼盖，地基净反力作为荷载，底板按连续单向板或双向板计算。采用倒楼盖法计算基础内力时，在两端第一、二开间内，应按计算增加1020的配筋量且上下均匀配置。2.刚性板条法 框架体系下的筏形基础也可按刚性板条法计算筏板内力。其计算步骤如下：先将筏板基础在x，y方向从跨中到跨中划分成若干条带，如图10-4所示，而后取出每一条带进行分析。设某条带的宽度为b，长度为L，条带内柱的总荷载为条带内地基净反力平均值为 ，计算两者的平均值 为,筏板基础的刚性板条划分图,调整基底平均净反力，调整值为,计算柱荷载的修正系数 ,并按修正系数调整柱荷载,最后采用调整后柱荷载及基底净反力，按独立的柱下条形基础计算基础内力。,刚性板条法计算实例 【例3.1】 筏形基础平面尺寸为21.5m16.5m，厚0.8m，柱距和柱荷载如图10-5所示，试计算基础内力。,图10-5 【例10.1】图,将筏形基础在Y轴方向从跨中到跨中划分三条板带AGHF、GIJH和ICDJ，分别计算其内力。,第一步：求解基底净反力由式(10-3)，不计算基础自重G得各点净反力见表10-2。,筏板基础设计算例,如一幢建造在非抗震区的9层办公楼，层高为3.0m，上部采用现浇框架结构，柱网布置如图10-7所示，地质勘查报告提供的地基剖面图见表10-3，地基承载力特征值fa=130kPa(在2m深处)。采用平板式筏形基础，试确定筏形基础的埋深、底面积和板厚。,柱网与基础底板平面(尺寸：m),10.2箱形基础计算与设计,箱形基础是高层建筑中常用的基础型式之一，它由钢筋混凝土顶、底板和内外纵向横墙组成的具有相当大刚度的空间结构(见图10-8)。空间部分可结合建筑使用功能设计成地下室。,设计要求 箱形基础上部结构多为钢筋混凝士结构，如框架、剪力墙或框剪结构。这些结构自重很大，由于建筑物很高，风荷载及地震荷载较一般建筑物大，因此在设计时，除应考虑地基的容许承载力之外，还要考虑建筑物的允许变形及倾斜要求，以及地下水对基础的影响(如水的浮力、侧壁水压力、水的侵蚀性、施工时的排水等问题)。为此在拟建的建筑物场地内，应进行详细的地质勘探工作，查明该场地内的工程地质及水文地质资料。,箱形基础埋深及构造要求,1.箱形基础埋深 箱形基础的埋置深度除应满足一般基础埋置深度有关规定外，对于作为高层建筑或重型建筑物的基础，基础埋置深度尚应满足抗倾覆和抗滑移稳定性要求，并综合考虑箱基使用功能(如作为人防、抗爆、防辐射等)要求来确定。箱形基础的埋置深度一般取高层建筑物总高度的l8112，或箱形基础长度的116118，并不小于3m，且不宜小于3m,在地震区埋深不宜小于高层建筑物总高度的l15。为确定合理的埋深应进行抗倾覆等稳定性验算。箱形基础的自重不宜小于上部结构物重力的l615。,箱形基础的埋置深度比一般基础大得多，既有利于对地基承载力的提高，挖去的土方重力远比箱形基础重，相应的基底附加应力值会得到减小。因此，箱形基础是一种理想的补偿基础。采用箱形基础不但可以提高地基土的承载力，而且在同样的上部结构荷载的情况下，基础的沉降要比其他类型天然地基的基础小。,箱形基础的构造要求,预制长柱与箱形基础的连接,箱形基础基底反力,箱形基础的地基验算 箱形基础面积大、埋置深、刚度大，地基受力相对趋于均匀，有较高的承载能力。箱形基础埋置较深，与地基土及回填土结合起来，能较好地发挥基础与周围土体的共同作用，稳定性也较好。但由于上部结构荷载大，因此沉降总是存在的。在风荷载比较大以及地震地区，不仅要考虑强度、变形、稳定等问题，还要考虑整体倾斜问题。造成箱形基础整体倾斜的因素很多，但主要还是地基沉降不均匀所致。1.箱形基础的地基承载力验算 a.非地震区箱基地基承载力验算 箱形基础地基承载力要满足下列条件,箱形基础考虑地下水浮力之后，基底压力应满足下式,b.地震区箱形基础地基承载力 地震区箱形基础的地基承载力、荷载组合均要按抗震设计规范的要求进行计算。除满足非地震区的有关计算公式外，基底最大压力还要满足下式,2.箱形基础地基变形验算 箱形基础底面积大，荷载也大，地基土被压缩的土层也深，应力扩散的范围大。因此，箱形基础地基的变形对周围建筑物必然要产生影响。反之，周围建筑物较大的荷载，也会对箱形基础的沉降产生影响。若地基土质好、沉降较小，地基变形稳定也较快，对相邻建筑物的影响也较小。若地基较弱，沉降较大，地基变形持续的时间将较长，地基变形的稳定将是缓慢的。 目前，计算较大埋深的箱形及筏形基础的沉降主要有三种方法，即地基基础规范推荐的分层总和法；箱形与筏形基础规范推荐的压缩模量法；箱形与筏形基础规范推荐的变形模量法。,a.地基基础规范推荐的分层总和法 箱形基础的沉降计算现在仍采用分层总和法。但由于箱形基础具有荷载大、基础底面积大、埋置深度大、地基压缩层影响范围大等特点，因此在计算总沉降量时，与一般工业与民用建筑结构相比，略有差别。 b.箱形与筏形基础规范推荐的压缩模量法,c.箱形与筏形基础规范推荐的变形模量法 当采用土的变形模量计算箱形和筏形基础的最终沉降量s时，可按下式计算,进行沉降计算时，沉降计算深度Zn，应按下式计算,3.箱形基础整体倾斜验算,确定横向整体倾斜允许值的主要依据是保证建筑物的稳定性和正常使用，不造成人们心理恐慌，与此相关的主要因素是建筑物的高度H。和箱形基础的宽度b，在非地震区，横向整体倾斜计算值口应符合下式要求,4.箱形基础稳定验算,在风荷载很大的地区、地震区、地下水位较高的软土地区、且箱形基础埋深不很大时，此时对箱基要进行稳定性验算，要提高建筑物四周回填土的质量以提高箱形基础的抗滑移能力，此外要满足下式,在软土地基，抗滑移能力按下式计算,箱形基础内力计算方法1.箱形基础荷载计算,箱形基础埋藏于地下，承受各种荷载(见图10-14)，这些荷载主要有： 1)地面堆载产生的侧压力为,图10-14 箱形基础荷载图,2.箱形基础内力计算,箱形基础在上部结构传来的荷载、地基反力及箱形基础四周土的侧压力共同作用下，将发生弯曲，这种弯曲称为整体弯曲。顶板在荷载作用下也发生弯曲，这种弯曲称为局部弯曲。底板在地基反力作用下也发生局部弯曲。因此在设计箱形基础时，必须按结构的实际情况，分别分析箱形基础的整体弯曲和局部弯曲所产生的内力，然后将配筋量叠加。 箱形基础内力分析，应根据上部结构刚度大小采用不同的计算方法。由于箱形基础造价昂贵，施工复杂，因而主要用于高层建筑，其上部结构大致可分为框架、剪力墙、框剪及框筒四种结构类型。根据上部结构情况，可采用以下两种方案计算箱形基础内力。 a.上部结构为剪力墙、框架一剪力墙体系 当地基压缩层深度范围内的土层在竖向和水平方向较均匀，且上部结构平面、立面布置较为规则的剪力墙、框架一剪力墙体系时，由于上部结构的刚度相当大，以至于箱基的整体弯曲小到可以忽略的程度，箱形基础的顶、底板可仅按局部弯曲计算，即顶板按实际荷载、底板按均布基底反力作用的周边固定双向连续板分析。考虑到整体弯曲可能的影响，钢筋配置量除符合计算要求外，纵横向支座钢筋尚应分别有0.15和0.10配筋率连通配置，跨中钢筋按实际配筋率全部连通。,【例4.1】 有一箱形基础，如图10.15a所示，已知上部结构传来的活荷载为37kNm2(不包括顶板活荷载)，上部结构传来的恒荷载为42kNm2(不包括顶板及内外墙体的自重)。顶板活荷载为20kNm2，地面堆载为20kNm2。顶板厚度为30cm，底板厚为50cm。地下水在-0.3m处，土的重度y=18kNm3。试按局部弯曲计算顶板、底板和内外墙的内力。【解】 顶、底板按双向板计算，内、外墙按连续梁计算。活载分项系数取1.3，恒载分项系数取l.2。第一步：顶板计算顶板荷载：活载P=1.320kNm2=26kNm2 恒载q=1.20.325kNm2=9kNm2 Pj=P+q=35kNm2顶板为两列双向板，可按图10.15e内力计算简图进行。=lylx=96=1.5，由混凝土结构双向板内力计算表可查得ix、iy、xix等值，计算结果见表10-12、表10-13。,b.上部结构为框架体系 上部结构为纯框架结构时，刚度较小，此时箱形基础在土压力、水压力及上部结构传来的荷载共同作用下，将发生整体弯曲。因此，箱基的内力应同时考虑整体弯曲和局部弯曲作用。在计算整体弯曲产生的弯矩时，将上部结构的刚度折算成等效抗弯刚度，然后将整体弯曲产生的弯矩按基础刚度占总刚度的比例分配到基础。基底反力可参照基底反力系数法或其他有效方法确定。由局部弯曲产生的弯矩应乘以0.8的折减系数，并叠加到整体弯曲的弯矩中去 。,箱形基础构件强度计算1.顶板与底板计算箱形基础顶板、底板厚度除根据荷载与跨度大小按正截面抗弯强度确定外，其斜截面抗剪强度应符合下式要求,10.3桩基础计算与设计,确定建筑物地基基础方案时，从安全、合理、经济角度出发，应优先选择天然地基浅基础。当地基浅层土质软弱，选择天然地基浅基础不满足地基强度及变形要求时；或采用人工加固处理地基不经济时；或是高层建筑基础、重型设备基础时；可采用地基基础方案中的天然地基深基础方案。桩基础就是天然地基深基础方案之一。 本章主要采用建筑桩基础技术规范(JGJ941994)，以下简称为桩基规范。本章对地基基础规范中的桩基础内容加以简单的介绍。,桩的分类,单桩竖向承载力的确定1.单桩竖向承载力的概念及确定原则 以下采用桩基规范，介绍单桩竖向承载力。 a.单桩在竖向荷载作用下的破坏形式 单桩在竖向荷载作用下有两种破坏形式：一种是桩身材料发生破坏；另一种是地基土发生破坏。 1)桩身材料发生破坏：当桩身较长，桩端支撑于很坚硬的持力层上，而桩侧土又十分软弱对桩身没有约束作用，此时桩是典型的端承桩，桩身像一根细长的受压柱，可能突然发生纵向弯曲，失去稳定而破坏。 2)地基土发生破坏：当桩穿越软弱土层，支撑在硬持力层土层，其地基破坏类似于浅基础下地基的整体剪切破坏。如果桩端持力层为中强度土或软弱土时，在竖向荷载作用下的桩可能出现刺入破坏形式。 b.单桩的竖向极限承载力的概念 由于桩的承载力条件不同，桩的承载力可分为竖向承载力(竖向抗压承载力和抗拔承载力)及水平承载力两种。 c.单桩竖向极限承载力标准值 单桩竖向极限承载力标准值是用以表示设计过程中相应桩基所采用的单桩竖向极限承载力的基本代表值。该代表值是用数理统计方法加以处理，具有一定概率的最大荷载值。,2.按桩身材料强度确定单桩竖向承载力设计值,按桩身材料强度确定单桩竖向承载力时，是将处于土中的桩近似看成两端铰支的轴心压杆，对于钢筋混凝土桩，按混凝土结构设计规范 (GB50010-2002)规范计算，其单桩竖向承载力计算式,3.按土对桩的支承力确定单桩竖向极限承载力,【例10.4】 某工程地质土如图10-21所示，第一层土厚2m，第二层土厚7m，第三层为中密的中砂，桩深入该层1 m；若是混凝土预制桩且分别穿过这些土层，求各层土的桩侧摩阻力标准值qsik,桩基础设计1.桩基础常规设计内容及步骤2.收集设计资料3.确定持力层4.桩型、桩长、桩截面尺寸的选择5.桩数及桩位布置6.桩身结构设计和计算7.承台设计和计算,桩数及桩位布置,桩身结构设计和计算,a.钢筋混凝土预制桩,b.灌注桩构造要求,承台设计和计算,
