本文介绍了双柱联合基础的分类,各自的适用范围、特点以及设计步骤等,并提出了基础设计软件对双柱联合基础的处理方法以及设计人员应用时应注意的问题。
当结构设计人员在进行钢筋砼独立扩展基础的设计时,若遇到:(1)两柱基础间净距较小,互相干扰;两柱荷载较大或地基承载力较低,两柱的扩展基础尺寸相互搭上、碰撞重叠。(2)某一柱靠近建筑界限,单柱扩展基础无法置放或基础面积不足,无法使扩展基础承受偏心荷载。在这些情况下,解决问题的办法是将两柱设置在同一个基础上,由一个基础把柱的内力传递给地基,即设计成双柱联合基础。
双柱联合基础可分为板式、梁板式和系梁式三类,每一类各有其适用范围和特点。
一、板式双柱联合基础
板式双柱联合基础是将两个柱子直接支承在基础底板上,由基础底板将柱荷载传给地基。一般适用于柱荷载较小,柱距不大的情况。板式双柱联合基础可根据不同情况采用矩形或梯形型式,当两柱荷载相差不大,柱子周围的空间足够,调整柱列两端柱外侧的基础尺寸就能做到基础形心和两柱荷载合力作用点大致重合,从而保证基础底板承受均匀地基反力时,采用矩形板式双柱联合基础;当两柱荷载相差较大或某一柱柱列外侧扩展尺寸受限,采用矩形底板不易做到基础底板的形心与柱合力作力点的重合时,应考虑采用梯形底板的板式双柱联合基础,如图一所示。柱荷载合力作用点的位置应由材料力学的公式确定,当XO+X=L/2时,设计为矩形板式双柱联合基础;当L/3<XO+X<L/2时时,设计为梯形板式双柱联合基础。
板式双柱联合基础的设计步骤是:(1)根据柱荷载标准值、地基承载力特征值确定基础总面积,调整基础各方向的扩展尺寸,满足基础底板形心与柱合力作用点近似重合。(2)底板厚度一般由抗冲切要求确定。(3)沿柱列方向,计算跨中及支座弯矩,在基础顶部及底部布设钢筋。(4)宽度方向按悬臂板计算并布设下部钢筋。
当两柱荷载相差不大,基础底面积不大,基础尺寸两方向近似对称,且满足lo≤L/2时,(lO为两柱间的中距),可仅在板底配筋,在板厚满足冲切要求下,柱列方向的板底配筋按悬挑尺寸为 的悬臂板计算;宽度方向的板底配筋按悬挑尺寸为 的悬臂板计算,这在基础底面积不太大, 与 近似相等时是经济的。
板式双柱联合基础的底板一般采用平板式,若为了满足抗冲切要求并减少砼用量也可采用如图二所示的阶梯状基础底板,此时应注意,计算底板弯矩、确定配筋时计算宽度的取值:对于按支座弯矩计算下筋时取B′,对于按跨中弯矩计算上筋时取B。
二、梁板式双柱联合基础
当两柱间的间距较大时,采用板式双柱联合基础就不经济,因为混凝土量很大,此时应在两柱间设置钢筋混凝土梁,成为梁板式双柱联合基础,由梁来承受柱列方向的弯矩。梁板式双柱联合基础沿柱列方向可按倒梁法或弹性地基梁法计算正、负弯矩,在梁内配置钢筋。基础底板仅承受单向弯矩,按单向悬臂板,即一般条形基础底板的设计方法来确定弯矩及配筋。与板式基础相同,要根据荷载分布按形心及合力点重合的要求调整尺寸,基础底板可做成矩形或梯形两种。
无论采用板式或梁板式双柱联合基础,最重要的是调整基础四周的尺寸,使基础底板的形心与柱荷载的合力作用点尽可能重合,从而保证基底反力近似均匀,一般要求基础偏心矩e小于L/6,基础全面积参与工作,且基础端部最大压力应满足Pmax≤1.2fa。当因调整尺寸受限,不满足上述要求时,应采取扩大另一方向基础尺寸,降低基础压应力,多柱联合调整或其它技术措施。
三、系梁式双柱联合基础:
当两柱基础虽未碰撞重叠,但因其中一柱尺寸调整受限而导致偏心较大(如边柱)时,可考虑采用系梁式双柱联合基础。如图一所示,当X0+X≤L/3时,联合基础下的土压力不均匀,此时可设置系梁来进行调整,采用系梁式双柱联合基础,如图三。系梁的作用是使边柱基础因偏心产生的弯矩传递给内侧柱基础,两个基础下均可得到均布基底应力,调整每个柱下基础尺寸,使基底压力接近相等,保证沉降接近一致。计算时一般假定系梁相对于基础是刚性的,当系梁比较短时,可以忽略地梁的重量,计算时,选择两个基础的适当尺寸,使横向尺寸相差不大,先按P1估算,P1柱下基础尺寸为B×LO,试算时可取L1=(1.1~1.3)L0,这样,X0+e=L1/2,对柱2中心点取矩得;
G1X1+P1lO=R1X1…………①
R1=lO·P1/X+G1…………②
R2=P1+P2+G1+G2-R1……③
满足 B1L1fa≥R1
B2L2fa≥R2 即可 式中G1、G2分别为P1、P2下基础自重。
系梁式双柱联合基础概念清晰,可节省混凝土,但费工费时费模板,选用时应综合考虑。
四、基础设计软件对双柱联合基础的处理方法及设计人员应用时注意的问题:
一般的结构设计软件(如PKPM系列的S-5),对双柱基础的处理方法是:荷载取基础上柱荷载的矢量和,冲切计算时对基础变截面处,柱外接矩形边界处和每个柱边都进行了验算;配筋是验算了基础变截面处和柱外接矩形边界处的板底筋。对于柱间梁和钢筋程序不进行计算,需使用者自己补充。
经试设计若干工程,软件中对双柱基础,仅是把两个柱基础底面积算术相加,并取两柱间中点作为基础中点,并未进行基础尺寸调整,以使基础形心与两柱荷载中心重合。设计人员用软件设计时应根据底层柱底最大内力值,柱间距等,调整基础底板尺寸,选择合理的联合基础型式,尽量使基底压力均匀及满足Pmax≤1.2fa的要求,若不进行调整,将有可能导致受力不合理,不满足规范要求,严重时会存在事故隐患或发生工程事故。对于板式基础柱列方向的上、下配筋,梁板式基础梁的配筋,以及系梁式基础的配筋,设计人员应补充计算并合理布设。
五、结语:
双柱联合基础其要点是两柱共用一个基础“联合”起来起作用。进行双柱联合基础设计时,必须选择经济合理的基础型式,调整基础尺寸,使基础形心与两柱合力作用点大致重合,保证基底压力近似均匀。基础设计软件中未考虑双柱基础的“联合作用”,未进行相关的计算和构造,设计人员必须自行调整基础尺寸,并进行适当的补充计算,满足相关规范的构造要求。
对于位于同一柱列上的多柱基础联合可参照双柱联合基础的思路设计,不同柱列上的多柱基础联合即为筏板基础。