平板式筏基计算方法的探讨及应用.docx

1、平板式筏基计算方法的探讨及应用平板式筏基计算方法的探讨及应用平板式筏基计算方法的探讨及应用0GY1NFORMA0N平板式筏基计算方法的探讨及应用刘亮(深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司广州分公司广州510045)工程技术摘要:随着我国经济的飞速发展,城市里高层建筑也在迅猛发展,且大部分都是住宅,宾馆或办公写字揍型的高层建筑.这类建筑,柱一布置一觳比较规整,柱荷裁不大,上部建筑结构剐度比较好.其基础在设计过程中,需要着重考虑基础的设计条件结构选型(桩基.桩筏基.筏基等形式),天然地基的充分利用和解决相郐建筑物基础沉降影响等问题.关键词:平板式筏基计算方法中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:

2、1672-3791(2o10)06(a)一002802现有的筏板基础有限元计算程序,一一般均采用薄板弯曲单元对筏板基础进行离散,可考虑节点荷载和作用在单元上的分布荷载.为了更准确地计算筏基的内力,我们在分析中考虑了板中横向剪切变形的影响,并在程序中采用九节点,薄板通用的平板弯曲单元.九节点厚薄板通用的平板弯曲单元用于薄板和中等厚度板弯曲问题,均有计算收敛性好,精度高的特点,是一种性能良好的厚,薄板通用的平板弯曲单元.该单元也可有效地用于板结构在局部分布荷载作用下的分析,分析时取单元尺寸/C应小于2.53.0(2C2C为局部荷载作用范国).当用等值的集中荷载代替作用在板上的局部分布荷载进行计算工

3、程中应用较为广泛的Winkler地基模型,一般认为,如选择合理的基床系数,把筏板基础作为Winkler地基上的板进行分析,内力计算结果是可信的.根据土与结构共同作用的分析原理,可得到如下方程:(【kr】+【ks】)6=F其中Kr为筏基的刚度矩阵Ks为土介质的支承刚度矩阵;6为节点位移列向量;F为荷载列向量.求解上述方程,得到节点位移.有了节点位移,就可以得到节点内力,根据内力,按混凝土结构设计规范进行配筋设计.为了获得较为理想的节点内力,对于剪力,需先计算高斯点的值,再外推得到节点的值所有内力均采用绕点平均法整理输出.1平板式筏基的设计条件及计算基础的设计,必须满足以下三个条件的要求.基础承受

4、的荷重,不得超过地基的允许承载力,以保证安全.基础的总沉降量及差异沉降量必须控制在一定限值之内,以保证上部结构不致损坏.必须预先估计新建房屋本身及其任施工过程中的必要操作对毗邻房屋的影响,以便采取必要的保护措施.在保证安全使用的条件下,还要考虑它的综合经济效果.要求工期短,费用省,而这个费用和工期都不是仪仅考虑基础的本身,而是考虑到整个建筑物的建造和运行.在确定基础型式时,应当通盘考虑地基,基础及上部结构的刚度以及施工顺序,恰当地估计在整个施工和使用过程中町能发生的基础沉降及差异沉降.在此仅析天然地基上平板式筏基的设计条件:在天然地基上应用平板式筏基,除了以上所述的条件外,最重要的是上部建筑荷

5、载组合F总体轴力,弯矩等作用下,基底的最大压应力必须小于修正后地基承载力.这类筏基绝大部份是作为补偿式基础,只要持力层承载力高,又无软弱下卧屋,且建筑面积的刚度中心与基础形心接近或重合时,均可考虑采用平板式筏基.2平板式筏基的结构设计2.1地基基础结构方案选择高层建筑常用的基础结构型式为桩基础,采用预应力管桩基础,以强风化花岗岩为桩端持力层,由于场地基岩埋深相对较浅,地下室开挖后,最短有效桩长仅为2m左右,且场地局部地段在残积层中存在中风化岩孤石,对预应力管桩施工带来困难.采用人工挖孔桩基础,以中微风化花岗岩为桩瑞持力层,人工挖孔桩成孔时要穿过坚硬=卜层进入稳定,完整的基岩,需要降水和爆破,且

6、要等到龄期后才能进行桩的检测和验收,施工周期长,工程投资高,同时,人_:挖孔桩还存在施工危险性高,容易对周边建筑物造成影响等缺点.2.2筏板基础的平面布置量使建筑物重心与筏基平面的形心霞合.筏基边缘宦外挑,挑出宽度应由地基条件,建筑物场地条件,柱距及柱荷载大小,使地基反力与建筑物重心重合或尽量减少偏心等因素综合确定,一般情况下,挑出宽度为边跨拄距的1/4l/3.2.3选用恰当的地基模型和计算方法一个筏基可以包括有多个独立的受力系统:一是底板,另外就是加强结构系统.底板的板底应力应符合公式的要求:Pkmm=(Fk+Gk)1.2fa平板筏基的内力分析,理论上有刚性板法和弹性地基梁,板法.对于刚性板

7、法,它可按倒楼盖的假定进行设计,以板底净反力作为分布荷载,柱(墙)视为支座进行内力分.计算筏板由局部弯曲引起的内力.虽町以不考虑整体弯曲,但在端部附近范围内拟增大基底反力10%20%;对于相邻柱问荷载与柱问距变化不大时,也可采用条带法计算.对f弹性地基梁,板法,由于计算元素数量多,运算工作量大,通常采用计算机程序辅助设计.将筏板设成两种基本单元舸肜弯曲板单元和板架梁单元,并提供三种地基模型:(1)文克尔地基模型;(2)分层总和法(义称有限压缩层)地基模型;(3)有桩基约束的地基,即复合地基模型.根据不同的土层地质情况.选用相应的地基模型:文克尔地基模型,适用于软土地基,压缩层较薄的地基,砂土地

8、基等,在实际使用时,重28科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMA-ION要的是选用适当的基床系数.分层总和法地基模型,适用于地基较复杂,地基刚度变化大或需要计算沉降值的基础.复合地基模型,较适用于筏板下有桩的情况.筏板的板厚,按现行规范提供的冲切计算公式确定.筏板厚度须满足冲切承载力要求,且应验算距内筒边缘或柱边缘h处筏板的受剪承载力.当筏板厚度有变厚时,还应验算变厚处筏板的受剪承载力.2.4筏板基础厚度的确定筏板基础的厚度由抗冲切和抗剪强度确定,同时要满足抗渗要求,局部柱距及柱荷载较大时,可在柱下板底加墩或设置暗梁且配置抗冲切箍筋来增加板的局部抗剪切能力,避免因少

9、数柱而将整个筏板加厚.除强度验算控制外,还要求筏板基础有较强的整体刚度.一般经验是筏板的厚度按地面上楼层数估算,每层约需板厚50mm80mm.本工程塔楼地上21层,筏板厚度为1100ram;部分轴力较大的柱,柱下板底加柱墩厚度为16OOmm.2.5筏板基础的内力分析筏板基础的内力分析常用简化计算方法,其最基本的特点是将由上部结构,基础和地基3部分构成的一个完整的静力平衡体系,分割成3个部分,独立求解.倒楼盖法是应用得最广泛的一种简化计算方法.倒楼盖法适用于地基比较均匀,筏板基础和上部结构刚度相对较大,柱轴力及柱距相差不大;其缺点是完全不能考虑基础的整体作用,也无法计算挠曲变形,夸大上部结构刚度

10、的影响.上部结构,基础和地基三者的关系是相互影响,相互制约的关系.把上部结构,基础和地基三者作为一个共同工作的整体的计算方法,其最基本的假定是上部结构与基础,基础与地基连接界面处变形协调,整个体系符合静力平衡.对于基础,由于考虑了上部结构的贡献,使其整体弯曲变形和内力减小,而取得较为经济的效果;对于上部结构,由干考虑了因基础变形引起的变形,这种变形将使上部结构产生次应力,考虑了这种次应力,结构将更安全.现行建筑地基基础设计规范中,对平板式筏基的计算及构造作了详细的规定.钢筋的配置,平板式筏基柱下板带和跨中板带的底部钢筋应有1/21/3贯通全跨,且配筋率不应小于O.15%;顶部钢筋应按计算配筋全

11、部连通.为加强筏板的强度,H丁沿柱网下增设暗梁,每侧比柱宽出(下转30页)是艺术铸造的常用材料,其着棕色的工艺配方也较多,表3列出其中两种.表中配方1和2得到的棕色比较均匀,光亮,但是配方2只需要在室温下进行,并且着色时间相对较短,因而其效率更高.2.4仿金色铜及其合金的可以通过电解着色得到仿金色(表4).将铸件作为阴极,电解液中柠檬酸和铜离子形成络合离子,通电后在阴极发生沉积生成氧化亚铜色膜.随电解时间变化铜阴极颜色也发生变化,可得到紫红色,淡黄色,金黄色,橙黄色,粉红色等各种色彩的变化,一般2minR可得到金黄色.电流密度较小时,色彩变化速度慢;电流密度较大时,色彩变化速度快.所以在实际生

12、产过程中,应根据所需时间严格控制电流密度大小来获得所需的颜色.3影响着色的工艺参数3.1主盐浓度的影响膜层颜色深浅和光泽与主盐浓度有很大关系.以黄铜着棕色为例,来看表3中配方1的两种主要成分的影响,在其他成分不变的前提下,增加高锰酸钾的量会使着色层变黑,若增加硫酸铜的量则会使膜层偏红.所以要得到标准的颜色,主盐的浓度要有一个适当的范围.3.2温度的影响着色是一个化学反应或电化学反应过程,因而外界条件温度对其影响也是较大的.一般来说温度越高,反应速度加快,所需着色的时间可以短一些,或者容易得到更厚,更深颜色的膜层.有些着色反应很难(上接28页)50mm,梁高与板厚相同,利用筏板配筋作为暗梁纵向钢

13、筋,布置一定量的箍筋.以构成柱下暗梁.平板式筏基板厚往往比较厚,宜每隔20m40m设置后绕带,或按超长超宽大体积混凝土的进行无缝设计与施工.平板式筏基具有许多优点,它能最大限度地发挥地基的承载力,并且具备足够的刚度以调整不均匀沉降,或跨越地基局部的小溶洞或溶槽.它结构简单,施工方便,工期短,对于上部建筑较规整的柱网和柱(墙)荷载不大的情况下,选用平板式筏基最为适宜;在当采用条基或交叉梁基础难以满足地基承载力或变形要求时,平板式筏基是一种很好的选择.高层建筑基础设计是整个结构设计的重要环,其设计合理与否,关系到建筑物的安全和使用及施工工期和投资额度.3平板式筏基计算方法的应用3.1工程地质概况本

14、工程设地下室1层,塔楼地上2O层,采用剪力墙结构.根据岩土工程勘察报告,场地土层分布自上而下分别为:(1)人工填土层,厚度0.5m3.0m(2)冲洪积土层,厚度0.60m;(3)可塑状残积土层,厚度1.6m8.30m,标贯击数为816击;(4)硬塑状残积土层,厚度2.2m12.0m,标贯击数为l829击;(5)岩石全风化带,厚度2.40m8.60m,标贯发生,需要在较高温度才能生成均匀的膜,例如表3中的配方1.但是温度过高,往往也会带来一些副反应,反应过快导致着色膜疏松,可能引起着色液成分的分解等.所以,每种着色工艺配方应该要有一个适当的温度范围,目前发展趋势倾向于开发常温条件下的配方工艺.3

15、.3着色时间的影响时间也是影响着色效果的一个重要因素.在其他条件不变的情况下,可以用时间来判断着色结果,即根据膜的厚度和颜色的要求来确定着色时间.黄铜在着棕色时应控制好时间,时间过长将可能得到疏松黑色的膜层.应根据着色工艺配方以及其他工艺条件来确定合适的着色时间.3.4预处理对着色的影响着色前的预处理非常关键.打磨抛光会使艺术铸件获得较为均匀,光亮的膜层,颜色也较为鲜艳,可保证着色的质量.抛光可以使用机械抛光,化学抛光,电化学抛光等.除油去掉工艺品表面的油脂,一来防止杂质污染着色液,还可以使铜与着色充分接触,加强着色膜和铜基体的结合力.酸洗活化也是必要的前处理,酸洗可除掉表面不均匀的氧化皮,获

16、得铜及铜合金的真实表面,化学反应可以顺利进行,得到稳定的着色膜.3.5后处理对着色膜的影响后处理有包括对着色膜的刷洗,干燥,上漆等.假如得到的着色膜有沉渣或者浮灰,应用湿布或刷子将其刷掉.此外刷洗还可以增加着色效果,像着古铜色,一般要将着色膜刷掉或磨掉一层才会得到古铜色的效果.铸件清洗后要进行干燥,然后涂层有机清漆,击数为3046击;(6)岩石强风化带,厚度0.60m12.Om,标贯击数为5065击;(7)岩石中风化带,厚度1.1Om2.13m,天然单轴极限抗压强度24.55MPa49.55MPa;(8)岩石微风化带,厚度1.Om1.60m,天然单轴极限抗压强度43MPa120MPa.3.2基

17、础结构方案选择高层建筑常用的基础结构型式为桩基础,本工程岩土工程勘察报告中建议基础型式采用预应力管桩基础或人工挖孔桩基础.(1)采用预应力管桩基础,以强风化花岗岩为桩端持力层,由于场地基岩埋深相对较浅,地下室开挖后,最短有效桩长仅为2m左右,且场地局部地段在残积层中存在中风化岩孤石,对预应力管桩施工带来困难.(2)采用人工挖孔桩基础,以中微风化花岗岩为桩端持力层,人工挖孔桩成孔时要穿过坚硬土层进入稳定,完整的基岩需要降水和爆破,且要等到龄期后才能进行桩的检测和验收,施工周期长,工程投资高,同时,人工挖孔桩还存在施工危险性高,容易对周边建筑物造成影响等缺点.本工程塔楼基础占地面积2230m,塔楼

18、总荷载重量为530260kN,即要求地基平均承载力为238kPa.从地层剖面及岩土性质分析,地下室开挖后板底标高下的岩土层为硬塑状残积土,标贯击数为1829击,经深度及宽度修正后,地基承载力特征值fa300kPa,可满足要求.地基的验算包括地基3O科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION工程技术提高着色膜的耐候性和稳定性.4结语转化膜着色是铜艺术铸件是表面处理技术,不同着色配方可得到不同颜色膜层,本文概述几种典型的铜及铜合金着色工艺配方,可得到古铜色,黑色,棕色,仿金色等金属工艺品的流行色调.此外,着色膜的的质量还和着色过程的工艺参数有很大关系,所以必需控制适

19、当的着色液主盐浓度,温度,时间,以及对艺术铸件进行适当的前处理和后处理操作.参考文献OxideThinFilmsJ】.ElectrochimicaActa,Volume:46,2001:22812284.2】中国铸协艺术铸造专业委员会秘书处.2003-2005年中国艺术铸造发展概况J.铸造,2006,4:413417.3】何生龙.漫话古铜色【J】.电镀与涂饰,2004,5:5861.4】张忠诚,张红兵.黄铜表面的发黑处理研究.中国表面工程,2003,1:4142.5J张婕,梁成浩,王鹏.铜及其合金着色工艺研究进展J】.电镀与涂饰,2006,8:2329.6】刘俊.铜及其合金电解仿金着色工艺.电

20、镀与涂饰,2003,2:2021.承载力和变形两个方面,对于高层建筑,变形往往起着决定性的控制作用.本工程初步分析结果表明,建筑物沉降也可满足要求,因此,决定采用天然地基的片筏基础.采用片筏基础既可以避免因打桩引起的试桩,排污等问题,又可以加快施工进度,还能适当降低工程造价.4结语建筑物采用何种基础型式,与地基土类别及土层分布情况密切相关.工程设计中,常遇到这样的地质情况,地下室底板下的岩土层为风化残积土层,全风化岩层,强风化岩层或中风化软岩层,因此,有可能采用天然基础.高层建筑地下室通常作为地下停车库,建筑上不允许设置过多的内墙,因而限制了箱型基础的使用;筏板基础既能充分发挥地基承载力,调整不均匀沉降,又能满足停车库的空间使用要求,因而就成为较理想的基础型式.筏板基础主要构造型武有平板式筏板基础和梁板式筏板基础,平板式筏板基础由于施工简单,在高层建筑中得到广泛的应用.