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阅读 1662 次 采用短柱基础减小框架结构底层计算高度分析

摘要:框架结构设计时,为减小底层计算高度,设置基础短柱作为上部结构嵌固端,结构设计概念清晰,且简单易操作并能取得很好的经济效果。文章通过某工程实例,具体分析不同基础短柱刚度对结构动力特性、楼层位移、基底反力、构件内力的影响,从而得出基础短柱相对上部柱的合理刚度,并给出短柱的配筋构造要求。...

采用短柱基础减小框架结构底层计算高度分析

刘卫辉  朱恪玲

(陕西省建筑设计研究院,陕西 西安,710018)

    一、引言

    框架结构设计时,由于综合管沟埋深和冻土深度的影响,基础埋置深度较深,加之底层建筑层高较高,导致底层计算高度会达到二层的二倍左右,特别在高烈度地区,工程设计较为困难,底层框架梁柱截面较大的情况下,底层层间位移角才能满足规范要求,同时底层刚度小、受剪承载力不足,出现薄弱层;甚至出现计入重力二阶效应的情况。结构设计师在进行工程设计时,最直接的办法是加大一层梁、柱截面,这种方法经济效益较差,影响建筑美观和使用,甚至甲方不能接受。如何才能在满足规范的前提下合理减小一层计算高度为本文重点探讨的内容,目前工程设计中常见减小底层计算高度的方法有加设拉梁层、设置刚性地面、加设短柱基础等。由于拉梁线刚度远小于基础短柱,有无基础系梁对计算结果影响不大,因此十分明确加设拉梁的方法不能减小底层计算高度;设置刚性地面经济性较差,且不易进行地下管沟检修;本文主要针对加设基础短柱减小底层层高进行探讨,首先探讨短柱基础是否能应用于基础设计,进而基础短柱尺寸比地上柱尺寸增大多少时才能满足要求,以及短柱基础设计时需要注意的问题。

    二、短柱基础应用于工程设计

    短柱基础在工程设计中应用已被普遍接受,构造做法亦有可参考的标准图集。规范中利用短柱基础较为明确的出处见《建筑地基基础设计规范》(GB50007 -2011)8.5.3款底10条:对于大直径灌注桩,当采用一柱一桩时,可设置承台或将桩和柱直接连接。桩和柱的连接可按本规范第8.2.5条高杯口基础的要求选择截面尺寸和配筋。规范8.2.5条主要针对排架结构采用高杯口基础的具体要求,对于框架结构,仅有本条的第2款在设计时具有实际意义,即:E2J2/E1J1≥10(式中E1、E2分别为预制钢筋混凝土柱和混凝土短柱的弹性模量;J1、J2分别为预制钢筋混凝土柱和短柱对其截面短轴的惯性矩)。设置基础短柱使其满足上部结构嵌固要求,结构设计概念清晰,且简单易操作并能取得很好的经济效果。那么对于框架结构,地下基础短柱的刚度是地上框架柱的刚度多少倍可以作为上部结构的嵌固端为本文重点研究的对象。以下本文将以某工程实例进行研究分析。

    2.1结构设计概况

本文以某5层宾馆为研究对象,宾馆底层为接待大堂和商业,二~五层为客房,图1为该宾馆标准层平面,一层建筑高度为5.1m,二~五层为3.6m,建筑高度为19.5m。该工程地震设防烈度为8度(0.2g),地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类,特征周期值为0.40s,基本风压0.35,标准冻土深度为0.93m,周期折减系数采用0.7,梁板柱混凝土强度等级均为C30,框架的抗震等级为二级。综合管沟埋深和冻土深度基础埋置深度为-2.75m,基础形式采用十字交叉条形基础,基础高度为0.95m,柱底标高为-1.8m。

图2.1 标准层平面

    2.2对不同基础短柱尺寸进行计算分析

    本文采用空间有限元软件sap2000对结构进行计算分析,不按规范对结构进行内力调整,不以层为单位建立模型,这样能真实的反映不同的基础短柱尺寸对结构动力特性、楼层位移、基底反力、构件内力等影响。该框架结构底层柱截面共有600×600、700×700两种截面,表2.1给出基础短柱尺寸较地上柱每侧增加不同值后刚度(EJ)变化值,通过对这四种情况的分析来判断当基础短柱是地上柱刚度的几倍时,可以忽略基础短柱对上部结构的影响,即在进行结构设计时直接将嵌固端取在基础短柱顶,而无需再将基础短柱当做一层进行计算,甚至进行包络设计。

表2.1 短柱刚度较上部框架柱刚度放大倍数

    表2.2给出了不同基础短柱尺寸结构的前三阶周期值(前三阶振型均相同),从表中计算结果可以看出当基础短柱刚度是地上柱刚度的3倍左右时,周期变化是无短柱框架结构的1.09倍,短柱嵌固效果较差;当基础短柱刚度是地上柱刚度的10倍左右时,周期变化仅是无短柱框架结构的1.03倍,周期变化在5%以内,能满足工程精度的要求。表中无短柱框架结构计算模型底层层高为5.10m,带短柱计算时,短柱高度1.80m,底层层高5.10m,以下表中均同此。

表2.2 地震作用下不同短柱尺寸结构的前三阶周期(s)

    表2.3、表2.4给出了不同基础短柱尺寸结构楼层位移值,从表中计算结果可以看出当基础短柱刚度是地上柱刚度的3倍左右时,楼层位移值变化是无短柱框架结构的1.26倍(带短柱的框架结构位移计算时减去短柱的位移),当基础短柱刚度是地上柱刚度的10倍左右时,周期变化仅是无短柱框架结构的1.05倍。并且随着基础短柱刚度的增加,楼层位移影响逐渐减小。

表2.3 地震作用下不同短柱尺寸X向楼层平均位移(mm)

表2.4 地震作用下不同短柱尺寸Y向楼层平均位移(mm)

    图2.2、2.3分别给出了基础短柱较地上柱每侧加250mm,即基础短柱是地上柱刚度10倍左右时,B轴线框架X向地震变形图和②轴线框架Y向地震变形图。从图中可以看出当基础短柱是地上柱刚度10倍左右时,基础短柱较地上柱基本无变形。

图2.2 B轴线框架X向地震变形图

图2.3 ②轴线框架Y向地震变形图

    表2.5给出了不同基础短柱尺寸结构的基底剪力值,从表中计算结果可以看出基础短柱刚度的变化对结构基底剪力影响较小均在5%以内。

表2.5 地震作用下不同短柱尺寸结构的基底剪力(kN)

    表2.6给出了不同基础短柱尺寸结构中KZ1~KZ3柱底剪力变化情况,从表中计算结果可以看出基础短柱刚度的变化对框架柱柱底剪力影响较小,均在10%以内,当基础短柱是地上柱刚度10倍左右时,对框架柱柱底剪力的影响仅为3%左右。

表2.6 地震作用下各柱柱底计算剪力(kN)

    表2.7给出了不同基础短柱尺寸结构中二层KL1在X向地震作用下A端和KL2在Y向地震作用下C端(如图2.1)剪力变化情况,可以发现基础短柱刚度的变化对框架梁端剪力影响较小,均在10%以内,当基础短柱是地上柱刚度10倍左右时,对框架梁端剪力的影响仅在3%左右。

表2.7地震作用下框架梁端计算剪力(kN)

    以上对不同基础短柱刚度对结构动力特性、楼层位移、基底反力、构件内力的影响进行了分析,均没有考虑回填土对地下柱侧向刚度的有利作用。基础短柱刚度变化对结构动力特性及楼层位移影响相对较大,但当基础短柱的刚度达到地上柱刚度的10倍左右时,对结构周期和位移的影响能控制在5%以内,而对结构基底反力及构件内力的影响仅为3%左右,根据结构工程本身的计算精确性,5%以内的计算误差是允许的。另外,有些结构工程师认为短柱刚度为上部框架柱刚度的2倍便可将其当做嵌固端是不合适的。

    基础短柱的主要作用是给上部结构提供刚度,使其在地震作用下基础短柱的变形相对上部结构变形可以忽略不计,基础短柱刚度主要取决于其截面尺寸,配筋满足构造即可。根据工程设计和施工经验,并参考《建筑地基基础设计规范》(B50007-2011)8.2.5条高杯口基础的配筋构造,基础短柱的配筋须满足:①上部框架柱的纵向钢筋宜全部贯穿基础短柱并锚入基础;②基础短柱四边每隔300mm配置直径不小于12mm的纵向钢筋且每边的配筋率不少于0.05%短柱的截面面积;③根据上部柱延下纵筋和另加短柱构造纵筋协调配置箍筋,横向箍筋不应小于Ф8@150,直径不应小于8mm。

    三、结论

    对框架结构进行设计时,当基础埋置较深时,设置基础短柱使其满足上部结构嵌固要求,结构设计概念清晰,且简单易操作并能取得很好的经济效果。此时需满足:①基础短柱高度为上部底层柱高度的1/2~1/3;②E2J2/E1J1≥10(式中E1、E2分别为框架结构上部柱和基础短柱的弹性模量;J1、J2分别为框架结构上部柱和基础短柱对其截面短轴的惯性矩);③基础短柱配筋满足构造要求。

 (本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑  刘真 文径 审核)