采用短柱基礎(chǔ)減小框架結(jié)構(gòu)底層計(jì)算高度分析

劉衛(wèi)輝  朱恪玲

（陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安，710018）

    一、引言

    框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于綜合管溝埋深和凍土深度的影響，基礎(chǔ)埋置深度較深，加之底層建筑層高較高，導(dǎo)致底層計(jì)算高度會達(dá)到二層的二倍左右，特別在高烈度地區(qū)，工程設(shè)計(jì)較為困難，底層框架梁柱截面較大的情況下，底層層間位移角才能滿足規(guī)范要求，同時(shí)底層剛度小、受剪承載力不足，出現(xiàn)薄弱層；甚至出現(xiàn)計(jì)入重力二階效應(yīng)的情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，最直接的辦法是加大一層梁、柱截面，這種方法經(jīng)濟(jì)效益較差，影響建筑美觀和使用，甚至甲方不能接受。如何才能在滿足規(guī)范的前提下合理減小一層計(jì)算高度為本文重點(diǎn)探討的內(nèi)容，目前工程設(shè)計(jì)中常見減小底層計(jì)算高度的方法有加設(shè)拉梁層、設(shè)置剛性地面、加設(shè)短柱基礎(chǔ)等。由于拉梁線剛度遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)短柱，有無基礎(chǔ)系梁對計(jì)算結(jié)果影響不大，因此十分明確加設(shè)拉梁的方法不能減小底層計(jì)算高度；設(shè)置剛性地面經(jīng)濟(jì)性較差，且不易進(jìn)行地下管溝檢修；本文主要針對加設(shè)基礎(chǔ)短柱減小底層層高進(jìn)行探討，首先探討短柱基礎(chǔ)是否能應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，進(jìn)而基礎(chǔ)短柱尺寸比地上柱尺寸增大多少時(shí)才能滿足要求，以及短柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題。

    二、短柱基礎(chǔ)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)

    短柱基礎(chǔ)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用已被普遍接受，構(gòu)造做法亦有可參考的標(biāo)準(zhǔn)圖集。規(guī)范中利用短柱基礎(chǔ)較為明確的出處見《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007 -2011）8.5.3款底10條：對于大直徑灌注樁，當(dāng)采用一柱一樁時(shí)，可設(shè)置承臺或?qū)�樁和柱直接連接。樁和柱的連接可按本規(guī)范第8.2.5條高杯口基礎(chǔ)的要求選擇截面尺寸和配筋。規(guī)范8.2.5條主要針對排架結(jié)構(gòu)采用高杯口基礎(chǔ)的具體要求，對于框架結(jié)構(gòu)，僅有本條的第2款在設(shè)計(jì)時(shí)具有實(shí)際意義，即：E2J2/E1J1≥10（式中E1、E2分別為預(yù)制鋼筋混凝土柱和混凝土短柱的彈性模量；J1、J2分別為預(yù)制鋼筋混凝土柱和短柱對其截面短軸的慣性矩）。設(shè)置基礎(chǔ)短柱使其滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念清晰，且簡單易操作并能取得很好的經(jīng)濟(jì)效果。那么對于框架結(jié)構(gòu)，地下基礎(chǔ)短柱的剛度是地上框架柱的剛度多少倍可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端為本文重點(diǎn)研究的對象。以下本文將以某工程實(shí)例進(jìn)行研究分析。

    2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

本文以某5層賓館為研究對象，賓館底層為接待大堂和商業(yè)，二~五層為客房，圖1為該賓館標(biāo)準(zhǔn)層平面，一層建筑高度為5.1m，二~五層為3.6m，建筑高度為19.5m。該工程地震設(shè)防烈度為8度（0.2g），地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40s，基本風(fēng)壓0.35，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為0.93m，周期折減系數(shù)采用0.7，梁板柱混凝土強(qiáng)度等級均為C30，框架的抗震等級為二級。綜合管溝埋深和凍土深度基礎(chǔ)埋置深度為-2.75m，基礎(chǔ)形式采用十字交叉條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)高度為0.95m，柱底標(biāo)高為-1.8m。

圖2.1 標(biāo)準(zhǔn)層平面

    2.2對不同基礎(chǔ)短柱尺寸進(jìn)行計(jì)算分析

    本文采用空間有限元軟件sap2000對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，不按規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，不以層為單位建立模型，這樣能真實(shí)的反映不同的基礎(chǔ)短柱尺寸對結(jié)構(gòu)動力特性、樓層位移、基底反力、構(gòu)件內(nèi)力等影響。該框架結(jié)構(gòu)底層柱截面共有600×600、700×700兩種截面，表2.1給出基礎(chǔ)短柱尺寸較地上柱每側(cè)增加不同值后剛度（EJ）變化值，通過對這四種情況的分析來判斷當(dāng)基礎(chǔ)短柱是地上柱剛度的幾倍時(shí)，可以忽略基礎(chǔ)短柱對上部結(jié)構(gòu)的影響，即在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)直接將嵌固端取在基礎(chǔ)短柱頂，而無需再將基礎(chǔ)短柱當(dāng)做一層進(jìn)行計(jì)算，甚至進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

表2.1 短柱剛度較上部框架柱剛度放大倍數(shù)

    表2.2給出了不同基礎(chǔ)短柱尺寸結(jié)構(gòu)的前三階周期值（前三階振型均相同），從表中計(jì)算結(jié)果可以看出當(dāng)基礎(chǔ)短柱剛度是地上柱剛度的3倍左右時(shí)，周期變化是無短柱框架結(jié)構(gòu)的1.09倍，短柱嵌固效果較差；當(dāng)基礎(chǔ)短柱剛度是地上柱剛度的10倍左右時(shí)，周期變化僅是無短柱框架結(jié)構(gòu)的1.03倍，周期變化在5%以內(nèi)，能滿足工程精度的要求。表中無短柱框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型底層層高為5.10m，帶短柱計(jì)算時(shí)，短柱高度1.80m，底層層高5.10m，以下表中均同此。

表2.2 地震作用下不同短柱尺寸結(jié)構(gòu)的前三階周期(s)

    表2.3、表2.4給出了不同基礎(chǔ)短柱尺寸結(jié)構(gòu)樓層位移值，從表中計(jì)算結(jié)果可以看出當(dāng)基礎(chǔ)短柱剛度是地上柱剛度的3倍左右時(shí)，樓層位移值變化是無短柱框架結(jié)構(gòu)的1.26倍（帶短柱的框架結(jié)構(gòu)位移計(jì)算時(shí)減去短柱的位移），當(dāng)基礎(chǔ)短柱剛度是地上柱剛度的10倍左右時(shí)，周期變化僅是無短柱框架結(jié)構(gòu)的1.05倍。并且隨著基礎(chǔ)短柱剛度的增加，樓層位移影響逐漸減小。

表2.3 地震作用下不同短柱尺寸X向樓層平均位移（mm）

表2.4 地震作用下不同短柱尺寸Y向樓層平均位移（mm）

    圖2.2、2.3分別給出了基礎(chǔ)短柱較地上柱每側(cè)加250mm，即基礎(chǔ)短柱是地上柱剛度10倍左右時(shí)，B軸線框架X向地震變形圖和②軸線框架Y向地震變形圖。從圖中可以看出當(dāng)基礎(chǔ)短柱是地上柱剛度10倍左右時(shí)，基礎(chǔ)短柱較地上柱基本無變形。

圖2.2 B軸線框架X向地震變形圖

圖2.3 ②軸線框架Y向地震變形圖

    表2.5給出了不同基礎(chǔ)短柱尺寸結(jié)構(gòu)的基底剪力值，從表中計(jì)算結(jié)果可以看出基礎(chǔ)短柱剛度的變化對結(jié)構(gòu)基底剪力影響較小均在5%以內(nèi)。

表2.5 地震作用下不同短柱尺寸結(jié)構(gòu)的基底剪力(kN)

    表2.6給出了不同基礎(chǔ)短柱尺寸結(jié)構(gòu)中KZ1~KZ3柱底剪力變化情況，從表中計(jì)算結(jié)果可以看出基礎(chǔ)短柱剛度的變化對框架柱柱底剪力影響較小，均在10%以內(nèi)，當(dāng)基礎(chǔ)短柱是地上柱剛度10倍左右時(shí)，對框架柱柱底剪力的影響僅為3%左右。

表2.6 地震作用下各柱柱底計(jì)算剪力(kN)

    表2.7給出了不同基礎(chǔ)短柱尺寸結(jié)構(gòu)中二層KL1在X向地震作用下A端和KL2在Y向地震作用下C端（如圖2.1）剪力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)短柱剛度的變化對框架梁端剪力影響較小，均在10%以內(nèi)，當(dāng)基礎(chǔ)短柱是地上柱剛度10倍左右時(shí)，對框架梁端剪力的影響僅在3%左右。

表2.7地震作用下框架梁端計(jì)算剪力(kN)

    以上對不同基礎(chǔ)短柱剛度對結(jié)構(gòu)動力特性、樓層位移、基底反力、構(gòu)件內(nèi)力的影響進(jìn)行了分析，均沒有考慮回填土對地下柱側(cè)向剛度的有利作用。基礎(chǔ)短柱剛度變化對結(jié)構(gòu)動力特性及樓層位移影響相對較大，但當(dāng)基礎(chǔ)短柱的剛度達(dá)到地上柱剛度的10倍左右時(shí)，對結(jié)構(gòu)周期和位移的影響能控制在5%以內(nèi)，而對結(jié)構(gòu)基底反力及構(gòu)件內(nèi)力的影響僅為3%左右，根據(jù)結(jié)構(gòu)工程本身的計(jì)算精確性，5%以內(nèi)的計(jì)算誤差是允許的。另外，有些結(jié)構(gòu)工程師認(rèn)為短柱剛度為上部框架柱剛度的2倍便可將其當(dāng)做嵌固端是不合適的。

    基礎(chǔ)短柱的主要作用是給上部結(jié)構(gòu)提供剛度，使其在地震作用下基礎(chǔ)短柱的變形相對上部結(jié)構(gòu)變形可以忽略不計(jì)，基礎(chǔ)短柱剛度主要取決于其截面尺寸，配筋滿足構(gòu)造即可。根據(jù)工程設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，并參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（B50007-2011）8.2.5條高杯口基礎(chǔ)的配筋構(gòu)造，基礎(chǔ)短柱的配筋須滿足：①上部框架柱的縱向鋼筋宜全部貫穿基礎(chǔ)短柱并錨入基礎(chǔ)；②基礎(chǔ)短柱四邊每隔300mm配置直徑不小于12mm的縱向鋼筋且每邊的配筋率不少于0.05%短柱的截面面積；③根據(jù)上部柱延下縱筋和另加短柱構(gòu)造縱筋協(xié)調(diào)配置箍筋，橫向箍筋不應(yīng)小于Ф8@150，直徑不應(yīng)小于8mm。

    三、結(jié)論

    對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，設(shè)置基礎(chǔ)短柱使其滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念清晰，且簡單易操作并能取得很好的經(jīng)濟(jì)效果。此時(shí)需滿足：①基礎(chǔ)短柱高度為上部底層柱高度的1/2~1/3；②E2J2/E1J1≥10（式中E1、E2分別為框架結(jié)構(gòu)上部柱和基礎(chǔ)短柱的彈性模量；J1、J2分別為框架結(jié)構(gòu)上部柱和基礎(chǔ)短柱對其截面短軸的慣性矩）；③基礎(chǔ)短柱配筋滿足構(gòu)造要求。

 (本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會   文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)