独立基础加防水板的基础设计.docx

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独立基础加防水板的基础设计

独基加防水板基础的设计

独基加防水板基础是近年来伴随基础设计与施工发展而形成的一种新的基础形式（图1），由于其传力简单、明确及费用较低，因此在工程中应用相当普遍。

图1独基加防水板基础的组成

一、受力特点

1．在独基加防水板基础中，防水板一般只用来抵抗水浮力，不考虑防水板的地基承载能力。

独立基础承担全部结构荷重并考虑水浮力的影响。

2．作用在防水板上的荷载有：

地下水浮力qw、防水板自重qs及其上建筑做法重量qa，在建筑物使用过程中由于地下水位变化，作用在防水板底面的地下水浮力也在不断改变，根据防水板所承担的水浮力的大小，可将独立柱基加防水板基础分为以下两种不同情况：

1）当qw≤qs+qa时（注意：

此处的qw、qs和qa均为荷载效应基本组合时的设计值，即水浮力起控制作用时的荷载设计值，而不是荷载标准值），建筑物的重量将全部由独立基础传给地基（图2a）；

2）当qw＞qs+qa时，防水板对独立基础底面的地基反力起一定的分担作用，使独立基础底面的部分地基反力转移至防水板，并以水浮力的形式直接作用在防水板底面，这种地基反力的转移对独立基础的底部弯矩及剪力有加大的作用，并且随水浮力的加大而增加（图2b）。

图2独基加防水板基础的受力特点

3．在独基加防水板基础中，防水板是一种随荷载情况变化而变换支承情况的复杂板类构件，当qw≤qs+qa时时（图2a），防水板及其上部重量直接传给地基土，独立基础对其不起支承作用；当qw＞qs+qa时（图2b），防水板在水浮力的作用下，将净水浮力（即qw-（qs+qa））传给独立基础，并加大了独立基础的弯矩数值。

需要说明的是，结构设计中常有忽略防水板的水浮力对独立基础的影响，而只按独立基础基底反力引起的弯矩计算，当地下水位较高时，其基底弯矩设计值偏小，不安全。

二、计算原则

在独基加防水板基础中，独立基础及防水板一般可单独计算。

1．防水板计算

1）防水板的支承条件的确定

防水板可以简化成四角支承在独立基础上的双向板（支承边的长度与独立基础的尺寸有关，防水板为以独立基础为支承的复杂受力双向板）（图3）；

图3防水板的支承条件

2）防水板的设计荷载（图2）

（1）重力荷载

防水板上的重力荷载一般包括：

防水板自重、防水板上部的填土重量、建筑地面重量、地下室地面的固定设备重量等；

（2）活荷载

防水板上的活荷载一般包括：

地下室地面的活荷载、地下室地面的非固定设备重量等；

（3）水浮力

防水板的水浮力可按抗浮设计水位确定。

3）荷载分项系数的确定

（1）当地下水水位变化剧烈时，水浮力荷载分项系数按可变荷载分项系数确定，取1.4；

（2）当地下水水位变化不大时，水浮力荷载分项系数按永久荷载分项系数确定，取1.35；

（3）注意防水板计算时，应根据重力荷载效应对防水板的有利或不利情况，合理取用永久荷载的分项系数，当防水板由水浮力效应控制时应取1.0。

4）防水板应采用相关计算程序进行有限元计算,也可按无梁楼盖双向板计算。

5）无梁楼盖双向板计算的计算方法（详见我司的无量楼盖设计课件）。

2．独立基础的计算

合理考虑防水板水浮力对独立基础的影响，是独立基础计算的关键。

在结构设计中可采用包络设计的原则，按下列步骤计算：

1）qw≤qs+qa时的独立基础计算

此时的独立基础可直接按照《建筑地基基础规范》相关规定进行计算，此部分的计算主要用于地基承载力的控制，相应的基础内力一般不起控制作用，仅可作为结构设计的比较计算。

图4防水板传给独立基础的等效荷载

2）qw＞qs+qa时的独立基础计算

（1）将防水板的支承反力（取最大水浮力计算），按四角支承的实际长度（也就是防水板与独立基础的交接线长度，当各独立基础平面尺寸相近或相差不大时，可近似取图4中的独立基础的底边总长度）转化为沿独立基础周边线性分布的等效线荷载qe及等效线弯矩me（见图6），并按下列公式计算：

①沿独立基础周边均匀分布的线荷载：

②沿独立基础边缘均匀分布的线弯矩：

式中:

qwj—相应于荷载效应基本组合时，防水板的水浮力扣除防水板自重及其上地面重量后的数值（kN/m2）；lx、ly—x向、y向柱距（m）；ax、ay——独立基础在x向、y向的底面边长（m）；

k——防水板的平均固端弯矩系数，可按表1取值；其中。

表1、防水板的平均固端弯矩系数

a/l

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

k

0.110

0.075

0.059

0.048

0.039

0.031

0.025

0.019

0.015

0.011

0.008

0.005

0.003

注：

本表按有限元分析（由王奇工程师完成）统计得出。

（2）根据矢量叠加原理，进行在普通均布荷载及周边线荷载共同作用下的独立基础计算，即在独立基础内力计算公式的基础上增加由防水板荷载（qe、me）引起的内力，计算简图见图5，计算过程如下：

图5独立基础计算简图

①独立基础基底反力引起的内力计算，按《建筑地基基础设计规范》相关规定，进行普通均布荷载作用下独立基础的内力计算，但注意此处均布荷载中应扣除防水板分担的水浮力，以图5柱边缘剖面A-A为例，计算弯矩为MA1（按地基规范公式（8.2.7-4）计算）、剪力为VA1；

②防水板对独立基础的基底边缘反力引起的附加内力计算，根据结构力学原理，进行周边线荷载作用下独立基础的内力计算；以图5柱边缘剖面A-A为例，计算弯矩为MA2=（qe（b−d）/2+me）l、剪力为VA2=qel；

③将两部分内力叠加，进行独立基础的各项设计计算，以图5柱边缘剖面A-A为例，计算总弯矩为MA=MA1+MA2、总剪力为VA=VA1+VA2。

（3）取上述

（1）和

（2）的大值进行独立基础的包络设计。

3．独立基础加防水板YJK有限元计算

YJK软件计算独立+挡水板模型的基本计算流程：

（1）不考虑高水影响

1）利用有限元计算挡水板传给独立基础的竖向荷载及弯矩：

注：

a.挡水板传给独基的弯矩取独基边缘网格弯矩值的平均值

b.忽略了挡水板传给独基边缘剪力对弯矩的影响

2）计算基底净反力：

注：

a.计算时采用的荷载包括上部结构传来的荷载和挡水板传来的轴力

c.由于YJK计算挡水板传给独基的轴力时包括了独基的自重，故此处多计算了独基自重

3）利用基底净反力根据《地基基础规范》有关公式计算独基的弯矩M1

（2）考虑高水影响

YJK考虑高水影响计算方法类似于不考虑高水影响的计算流程，但在计算挡水板传给独基的荷载时，不仅考虑了恒载、活载、而且考虑了高水浮力，此步计算出考虑高水影响的的独基弯矩M2

（3）M1、M2取包络取大值进行独基配筋设计

YJK软件计算独立+挡水板模型的操作步骤：

1）转入YJK基础设计模块，查看上部结构传来的柱底荷载是否正确。

2）布置独立基础和防水板，并布置防水板上的恒载和活载。

3）设置计算参数。

①地基承载力计算参数：

选择地基承载力确定方法，并如实填写地基承载力设计值及修正系数等相关参数。

该栏参数主要用于独立基础下地基承载力的验算

②填写网格划分参数、勾选板元弯矩取节点最大值

③水浮力、人防、荷载组合参数：

填写水浮力组合系数、历史最低水位（如不考虑最低水位的影响则此处填入一个低于基础底面的数值）、历史最高水位（此参与直接影响到防水板和基础的设计请如实填入）、同时勾选底板抗浮验算以及防水板所有组合都传到基础选项，如需考虑低水位的作用则还需勾选历史最低水位参与组合选项。

4）生成计算数据并进行有限元计算。

5）结果查看

①基底反力查看

注意:

在单工况中恒载为（上部恒载+独立基础自重但不包括挡水板传来的恒载）；

在基本组合工况中地基反力为净反力，即恒载中不包括独立基础自重，但与单工况相比增加了挡水板传来的荷载,主要用于构件设计;

在标准组合工况中地基反力为真实反力，恒载中包括独立基础自重同时包含挡水板传来的荷载,主要用于验算地基承载力。

②地基承载力验算：

查看地基承载力是否满足，如不满足增大基础底面面积重新计算。

③独立基础的冲切、剪切验算：

④独立基础的计算配筋

注意:

当基础上支撑有墙体时，YJK基础的配筋采用有限元计算结果中网格的最大值进行配筋，由于有限元结果存在很大的应力集中现象。

故该配筋值有可能严重偏大，不建议采用。

建议根据YJK的基底压力值利用《基础规范》相关公式进行计算。

当基础上单纯支撑框架柱时分两种情况：

a.低水位组合控制时（qw≤qs+qa）由于YJK程序中将挡水板的恒活载传递给基础，而不是直接由地基土承担。

导致基础的配筋比手算的偏大。

故建议此时采用无挡水板模型的基础配筋。

b.高水位组合控制时（qw>qs+qa）YJK程序计算结果与手算结果基本吻合可以直接采用。

c.当水浮力与竖向荷载相比较大时，注意比较基础配筋值与挡水板网格结果中0.8倍柱边平均值的大小，两者取大。

⑤挡水板配筋查看

根据公司无梁楼盖课件中的取值方法，查看挡水板的弯矩值，然后配筋设计。

三、构造要求

为实现结构设计构想，防水板下应采取设置软垫层（见图1）的相应的结构构造措施，确保防水板不承担或承担最少量的地基反力，软垫层应具有以下两方面的特点：

1）软垫层应具有一定的承载能力，至少应能承担防水板混凝土浇注时的重量及其施工荷载，并确保在混凝土达到设计强度前不致产生过大的压缩变形。

2）软垫层应具有一定的变形能力，避免防水板承担过大的地基反力，以保证防水板的受力状况和设计相符。

四、需注意的问题

1．软垫层性能的控制问题是关系独立基础加防水板受力合理与否的关键问题。

2．在独基加防水板基础设计中，应特别注意对独立基础计算埋深的修正。

3．在独基加防水板基础的设计中，当地下水位不高时，应尽量采用较小厚度的防水板，控制防水板的配筋略大于防水板的构造配筋为宜。

五、算例分析

某办公楼，采用钢筋混凝土框架结构，轴网8m×8m。

采用独立基础加防水板设计。

（1）防水板及独立基础的混凝土强度等级均为C30；

（2）柱下独立基础如图8，柱下独立基础，混凝土强度等级为C30，受力钢筋采用HRB400级，相应于荷载效应基本组合时，作用在基础顶面的柱底轴向压力值N=6480kN，基础及其以上填土的平均重度γ=20kN/m3，地下水位高出地下室地面1.8m，基础做法如图6.

图6独基加防水板基础

1、手算计算

（1）防水板荷载的计算

防水板及其以上土重标准值qs1=20×1.2=24kN/m2

防水板的水浮力标准值qsw=10×（1.2+1.8）=30kN/m2

在地下水浮力控制的内力组合时，防水板的荷载设计值为：

qwj=1.4×30-1.0×24=18kN/m2

（2）防水板传给独立基础的等效荷载计算

①沿独立基础周边均匀分布的等效线荷载设计值：

②沿独立基础边缘均匀分布的线弯矩设计值：

a=4m，a/l=4/8=0.5，查表1，得k=0.025，则

（3）独立基础的其他荷载

①上部结构传给基础的相应于荷载效应基本组合时，作用在基础顶面的柱底轴向压力值N=6480kN，则作用在基础底面的平均净反力值pj=405kN/m2

②水浮力较小（qw≤qs+qa或无水浮力作用）时，相应于荷载效应基本组合时，独立基础底面的平均净反力值：

pj=405kN/m2

③水浮力较大（qw>qs+qa）时，用于基础设计的独立基础底面的平均压力设计值：

pj=405-54=351kN/m2

（4）独立基础沿柱边缘截面的基础底面弯矩设计值计算

水浮力较大（qw>qs+qa）时，独立基础的基础底面弯矩分为两部分，一是由防水板抵抗水浮力引起的弯矩M11，二是由pj引起的弯矩M12，即M1=M11+M12。

M11=4×54×（2-0.35）+4×28.8=471.6kN•m

M12按《地基基础规范》相关公式求得1329.9kN.m

M1=M11+M12=1801.5kN.m

（5）独立基础变阶处截面的基础底面弯矩设计值同理可求得：

M2=677.4kN.m

（6）独立基础的配筋设计

计算柱边缘截面基础底面的配筋（此处采用近似计算公式）：

①柱边缘截面：

As=M/（0.9h0fy）=6541mm2

②基础变阶处截面：

As=M/（0.9h0fy）=5227mm2

基础底板的最小配筋率为0.15%,即As,min=1350mm2

在基础全宽度4m范围内，配HRB400级钢筋20@180（配筋面积为6982mm2＞6541mm2（可以）.

（7）防水板按无梁楼盖设计（参照公司无梁楼盖课件中的等效框架法）

已知bce=4m，lx=ly=8m，q=qwj=18kN/m2，

表2、防水板各截面的弯矩及配筋

截面位置

柱下板带

跨中板带

弯矩（kN.m/m）

配筋（mm2/m）

弯矩（kN.m）

配筋（mm2/m）

边跨

第一内支座截面负弯矩

84.5

948

28.1

316

跨中正弯矩

45.1

506

36.9

414

内跨

支座截面负弯矩

49.2

552

16.4

184

跨中正弯矩

22.5

253

18.4

207

防水板单位宽度的构造配筋面积Asmin=0.15%×1000×300=450mm2，柱下板带底面配HRB400级钢筋直径12@200（As=565mm2＞552mm2），其余均按构造配筋要求配HRB400级钢筋直径12@200+10@200（As=479mm2＞450mm2）。

（8）独立基础和防水板的配筋可根据基础设计的实际情况，统一考虑，当基础底面和防水板的底面位于同一标高时，可考虑将防水板钢筋通长布置，独立基础下配筋不足部分用短钢筋（附加钢筋）配足，见图7。

图7独立基础和防水板底面标高相同时的常用配筋做法

2、YJK有限元计算与手算方法比较

表3、独立基础计算比较

手算

YJK

基底净反力（高水位基本组合）

351

345

防水板水浮力引起的弯矩M11

471.6

577.4

基底净反力引起的弯矩M12

1329.9

1307

总弯矩M1

1801.5

1884.4

基础配筋

6541

6842

由表3可知、在高水位组合控制时YJK的计算结果与手算方法基本一致。