筏形基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

王永永

(張家口供電公司電力設(shè)計(jì)院,河北張家口075000)

1 概 述

當(dāng)設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)荷載過(guò)大,采用柱下交梁基礎(chǔ)不能滿足地基承載力要求或雖然能夠滿足要求,但基底間凈距很小,或要加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度,這時(shí)即可采用筏型基礎(chǔ).對(duì)于筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì),手工計(jì)算很繁瑣,所以可以直接采用PKPM軟件的JCCAD對(duì)筏板進(jìn)行設(shè)計(jì).具體步驟為:

PKPM→JCCAD→地基資料輸入→基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入→建立新數(shù)據(jù)文件→參數(shù)輸入(基本參數(shù)→地梁筏板)→荷載輸入(讀取荷載→SATWE)→基礎(chǔ)布置(筏板→圍區(qū)布板)→樁筏筏板四邊有限元計(jì)算.

2 筏板設(shè)計(jì)原理

以下筏板設(shè)計(jì)原理及所用公式按照規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002以及規(guī)范《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ6-99確定.

2.1 筏板類型確定

筏形基礎(chǔ)分梁板式和平板式兩種類型,應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)體系、柱距、荷載大小以及施工等條件確定.本文以平板式筏形基礎(chǔ)為例進(jìn)行說(shuō)明.

2.2 筏形基礎(chǔ)平面尺寸確定

筏形基礎(chǔ)的平面尺寸應(yīng)根據(jù)地基土的承載力上部結(jié),構(gòu)的布置及荷載分布等因素按本規(guī)范第五章有關(guān)規(guī)定確定.對(duì)單幢建筑物,在地基土比較均勻的條件下,基底平面形心宜與結(jié)構(gòu)豎向永久荷載重心重合.當(dāng)不能重合時(shí),在荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合下,偏心距e宜符合下式要求:

2.3 驗(yàn)算抗沖切承載力

1)平板式筏基的板厚應(yīng)能滿足受沖切承載力的要求.板的最小厚度不宜小于400 mm.計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮作用在沖切臨界截面重心上的不平衡彎矩所產(chǎn)生的附加剪力.距柱邊h 0/2處沖切臨界截面的最大剪應(yīng)力τ max應(yīng)按公式(3-2)、(3-3)、(3-4)計(jì)算(圖3-1).板的最小厚度不應(yīng)小于400 mm.

圖1 內(nèi)柱沖切臨界界面

當(dāng)柱荷載較大,等厚度筏板的受沖切承載力不能滿足要求時(shí),可在筏板上面增設(shè)柱墩或在筏板下局部增加板厚或采用抗沖切箍筋來(lái)提高受沖切承載能力.

2)平板式筏基內(nèi)筒下的板厚應(yīng)滿足受沖切承載力的要求,其受沖切承載力按下式計(jì)算:

2.4 驗(yàn)算距內(nèi)筒邊緣或柱邊緣ho處筏板的受剪承載力

平板式筏板除滿足受沖切承載力外,尚應(yīng)驗(yàn)算距內(nèi)筒邊緣或柱邊緣h0/2處筏板的受剪承載力.

受剪承載力應(yīng)按下式驗(yàn)算:

2.5 計(jì)算方法選取

以下計(jì)算方法選取按照規(guī)范《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ6-99確定.

倒樓蓋法是以基底凈反力為荷載,柱子為支座按普通樓蓋計(jì)算筏板內(nèi)力的方法.

當(dāng)?shù)鼗容^均勻、上部結(jié)構(gòu)剛度較好,且柱荷載及柱間距的變化不超過(guò)20%時(shí),筏形基礎(chǔ)可僅考慮局部彎曲作用,按倒樓蓋法進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算時(shí)地基反力可視為均布,其值應(yīng)扣除底板自重.

當(dāng)?shù)鼗容^復(fù)雜、上部結(jié)構(gòu)剛度較差,或柱荷載及柱間距變化較大時(shí),筏基內(nèi)力應(yīng)按彈性地基梁板方法進(jìn)行分析.

本例采用倒樓蓋法進(jìn)行計(jì)算;可自行用彈性地基梁法計(jì)算并進(jìn)行比較.

按倒樓蓋法計(jì)算的梁板式筏基,其基礎(chǔ)梁的內(nèi)力可按連續(xù)梁分析,邊跨跨中彎矩以及第一內(nèi)支座的彎矩值宜乘以1.2的系數(shù).考慮到整體彎曲的影響,梁板式筏基的底板和基礎(chǔ)梁的配筋除滿足計(jì)算要求外,縱橫方向的支座鋼筋尚應(yīng)有1/2～1/3貫通全跨,且其配筋率不應(yīng)小于0.15%;跨中鋼筋應(yīng)按實(shí)際配筋全部連通.

按倒樓蓋法計(jì)算的平板式筏基,柱下板帶和跨中板帶的承載力應(yīng)符合計(jì)算要求.

柱下板帶中在柱寬及其兩側(cè)各0.5倍板厚的有效寬度范圍內(nèi)的鋼筋配置量不應(yīng)小于柱下板帶鋼筋的一半,且應(yīng)能承受作用在沖切臨界截面重心上的部分不平衡彎矩Mp的作用.Mp應(yīng)按下列公式計(jì)算:

式中:

Mp——板與柱之間的部分不平衡彎矩;

α m——不平衡彎矩傳至沖切臨界截面周邊的彎曲應(yīng)力系數(shù);

考慮到整體彎曲的影響,柱下筏板帶和跨中板帶的底部鋼筋應(yīng)有1/2～1/3貫通全跨,且配筋率不應(yīng)小于0.15%;頂部鋼筋應(yīng)按實(shí)際配筋全部連通;

對(duì)有抗震設(shè)防要求的平板式筏基,計(jì)算柱下板帶受彎承載力時(shí),柱內(nèi)力應(yīng)考慮地震作用不利組合.

3 PKPM筏板設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能簡(jiǎn)介

PKPM軟件中JCCAD軟件功能如下:

1)可完成柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)、彈性地基梁、帶肋筏板、柱下平板、墻下筏板、柱下獨(dú)立樁基承臺(tái)基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)、樁格梁基礎(chǔ)、及單樁的設(shè)計(jì)工作.同時(shí)軟件還可完成由上述多種基礎(chǔ)組合起來(lái)的大型混合基礎(chǔ)設(shè)計(jì),而且一次處理的筏板塊數(shù)可達(dá)10塊.軟件可處理的獨(dú)基包括倒錐型、階梯型、現(xiàn)澆或預(yù)制杯口基礎(chǔ)、單柱、雙柱、或多柱基礎(chǔ);條基包括磚、毛石、鋼筋混凝土條基(可帶下臥梁)、灰土及混凝土基礎(chǔ);筏板基礎(chǔ)的梁肋可朝上或朝下;樁基包括預(yù)制混凝土方樁、圓樁、鋼管樁、水下沖(鉆)孔樁、沉管灌注樁、干作業(yè)法樁和各種形狀的單樁或多樁承臺(tái).

2)軟件可充分利用上部結(jié)構(gòu)CAD軟件形成的各種信息,避免重復(fù)工作,最大限度地減少設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān).軟件從PMCAD軟件生成的數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)提取首層結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)、軸線、柱子、墻的布置信息,當(dāng)軸線不滿足要求時(shí)可增加軸線,軟件還可讀取PMCAD、PK、TAT、SAT WE軟件在傳下來(lái)的各種荷載,并按需要進(jìn)行不同的荷載組合.讀取的上部結(jié)構(gòu)荷載可以同人工輸入的荷載相互疊加.此外軟件還能夠提取TAT繪制柱施工圖生成的柱鋼筋數(shù)據(jù),用來(lái)畫基礎(chǔ)柱的插筋.這樣用戶可以很方便地使用“基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入”菜單統(tǒng)一布置各類基礎(chǔ),布置荷載,和繪制施工圖.這些信息傳送下來(lái)的條件是運(yùn)行PMCAD主菜單的 A、1、2和 3項(xiàng),生成“工程名·JAN”、“TATDA1·PM”、“LAYDAN ·PM”和“DATW·PM”文件;運(yùn)行 TAT 和SATWE分別生成“TOJLQ ·TAT”、“TATJC·TAT”、“COLMGB·TAT”、“COLUMN ·ST L”和“WDCNL·SAT”文件.

3)對(duì)于整體基礎(chǔ),如交叉地基梁、筏板、樁筏基礎(chǔ),軟件可采用多種方法考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的影響,這些方法包括:TAT上部結(jié)構(gòu)剛度凝聚法,上部結(jié)構(gòu)剛度無(wú)窮大的倒樓蓋法,上部結(jié)構(gòu)等代剛度法.

4)軟件具有多種自動(dòng)化功能,如程序可根據(jù)荷載和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)的截面積與配筋,自動(dòng)進(jìn)行柱下承臺(tái)樁設(shè)置,自動(dòng)調(diào)整交叉地基梁的翼緣寬度,自動(dòng)確定筏板基礎(chǔ)中梁翼緣寬度,自動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)的碰撞檢查,如發(fā)現(xiàn)有底面迭合的基礎(chǔ)自動(dòng)選擇雙柱基礎(chǔ)、多柱基礎(chǔ)、或雙墻基礎(chǔ).同時(shí)程序又留有充分的人工干預(yù)功能,使軟件既有較高的自動(dòng)化程度,又有極大的靈活性.

5)軟件對(duì)整體基礎(chǔ)可采用多種計(jì)算模型,如交叉地基梁可采用文克爾模型---即普通彈性地基梁模型進(jìn)行分析,又可采用考慮土壤之間相互作用的廣義文克爾模型進(jìn)行分析.對(duì)于筏板基礎(chǔ)程序可按彈性地基梁有限元法計(jì)算,也可按MINDLIN理論的中厚板有限元法計(jì)算.對(duì)筏板的沉降計(jì)算程序提供了規(guī)范的假設(shè)附加壓應(yīng)力已知的方法,和剛性底板假定、附加應(yīng)力為未知的計(jì)算方法.

6)軟件有很強(qiáng)的交互功能和繪圖功能,通過(guò)基礎(chǔ)交互輸入菜單可很方便地布置各種類型、形狀各異的基礎(chǔ),以及確定各種計(jì)算參數(shù),供隨后的計(jì)算分析使用.通過(guò)繪平面圖菜單可將所布置的基礎(chǔ)全部繪制在一張圖紙上,畫出筏板鋼筋,標(biāo)注各種尺寸、說(shuō)明.通過(guò)繪制地基梁菜單可畫出不同分析方法計(jì)算出的梁施工圖.利用畫詳圖菜單可繪出獨(dú)基、條基、連梁、樁基、承臺(tái)的大樣圖,對(duì)獨(dú)基、條基還可將詳圖畫在平面圖上.

7)軟件完成設(shè)計(jì)后,也同時(shí)完成了主要工程量統(tǒng)計(jì),如混凝土用量、鋼筋用量、砌體用量、墊層用量等,為概預(yù)算軟件提供數(shù)據(jù).

3.2 PKPM設(shè)計(jì)步驟

PKPM(結(jié)構(gòu))→JCCAD→地基資料輸入→基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入→建立新數(shù)據(jù)文件→參數(shù)輸入(基本參數(shù)→地梁筏板)→荷載輸入(讀取荷載→SAT WE)→基礎(chǔ)布置(筏板→圍區(qū)布板)→樁筏筏板四邊有限元計(jì)算.

(1)“有限元計(jì)算”點(diǎn)擊進(jìn)入“PKPM樁筏筏板有限元計(jì)算”界面,軟件可自動(dòng)完成有限元計(jì)算內(nèi)容,完成該步之后可以自動(dòng)退出.

(2)“計(jì)算結(jié)果圖形輸出”點(diǎn)擊彈出如下對(duì)話框:

計(jì)算結(jié)果輸出:

“荷載選擇”中可以先選擇“總信息”,“計(jì)算結(jié)果”可依次進(jìn)行“配筋簡(jiǎn)圖PJXX.T及修改”,“梁板彎矩圖ZFBM.T”,“配筋量圖ZFPJ.T”圖形輸出.

“配筋簡(jiǎn)圖以及修改”:

在“荷載選擇”中也可以單就其中一組荷載組合進(jìn)行圖形輸出:

最終配筋及其它輸出圖形將轉(zhuǎn)化為AUTOCAD圖.

通過(guò)以上可以看出,對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)用建筑設(shè)計(jì)軟件PKPM可以進(jìn)行大部分的設(shè)計(jì)計(jì)算,其中JCCAD亦可以對(duì)絕大多數(shù)的基礎(chǔ)形式進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及地基相關(guān)規(guī)范相當(dāng)熟悉,尤其是一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)的確定,至于軟件的學(xué)習(xí)基本上可以按部就班.

[1]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002.中國(guó)建筑工業(yè)出版社

[2]《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002.中國(guó)建筑工業(yè)出版社

[3]《PKPM軟件從入門到精通》楊星著,中國(guó)建筑工業(yè)出版社