特种基础独立构筑物基础

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1、第三章:独立构筑物基础的设计一、概述独立构筑物主要包括水塔、料仓、储罐、烟囱、高炉 及塔状构筑物等,其特点是高度较大,上部结构刚度大, 常用的基础形式有板式基础、柱式基础、筒式基础及壳体 基础等,由于基础形式的特殊性,在设计计算过程中应考 虑其基础结构形式,荷载条件及其他特殊要求进行设计计 算。另外,也可以采用桩基础、沉井基础、地下连续墙、 喷锚基础等基础形式,可以按照相应的基础设计方法进行 设计计算。二、板式基础的设计计算1、刚性板式基础独立构造的刚性板式基础可以做成方形、圆形、环形 等形式,独立方形刚性基础与一般柱下独立方形基础的设 计方法相同,对于独立构造物下的刚性圆形或环形基础的 设计

2、,仍然主要根据地基承载力条件及刚性扩散角的概念 确定基础底板面积及基础各部尺寸。刚性基础一般采用抗压强度较大,而抗拉强度较低的 材料作为基础材料,如砖砌体、毛石砌体、灰土(三合土 )、毛石混凝土及混凝土,为保证基础内的应力不超过允 许值,一般根据不同的基础材料规定了相应允许台阶宽高 比(可参见基础工程教材)。刚性圆(环)性基础的外形尺寸圆形(环)刚性基础,其立面可以做成阶梯型,根据 刚性扩散角的要求,其外形尺寸应满足以下要求:圆形刚性基础 环形刚性基础 圆形刚性基础基础悬挑尺寸应满足:基础高度应满足: 环形刚性基础基础外悬挑尺寸应满足:基础内悬挑尺寸应满足:基础高度应满足:上式中,b1、b2:

3、基础台阶外悬挑及内悬挑尺寸;h:基础高度;d1:基础顶面筒壁内径;tan:台阶的允许宽高比,按基础工程相应表格 取用。当圆、环形刚性基础承受的偏心荷载较大时,在按上述要 求选定基础尺寸后,如果容许基底脱开地面的面积Ar1.8时,底板下部的径向弯矩和环向弯矩,可按 以下公式计算:但是, r1/rc1.8时基础外形尺寸已不合理,故一般不宜采 用。c、环壁以内底板上部,在两个正交方向单位宽度的弯矩 均为: 圆形基础底板下部和环壁以内上部均采用等面积方格 网配筋。确定底板配筋的弯矩值,可按以下公式计算:a、底板下部两个正交方向单位宽度的弯矩均为:b、环壁以内底板上部两个正交方向单位宽度的弯矩为:当基础

4、底面积较小,悬挑较长,同时又采用焊接钢筋网时 ,以上方式才可以采用,一般情况下不宜采用这种方式的 配筋。 在环形基础底板下部和底板内悬挑上部,均采用径、 环向配筋。为确定底板配筋的弯矩值,可按以下公式计算:a、底板下部半径r2处单位弧长的径向弯矩和单位宽度的 环向弯矩,可分别按以下公式计算:c、环壁以内底板上部单位宽度的环向弯矩为: 基础底板配筋计算 底板钢筋截面计算公式按上述公式计算出各部位的弯矩值后,即可按混凝土结 构设计规范中的矩形截面受弯构件,计算受拉钢筋的截 面面积As,即按下式计算钢筋截面积: 配筋截面的有关计算要求a、计算基础底板下部的钢筋截面积时,应取半径为r2处 的底板有效高

5、度h0,按等厚度为h0的板进行计算。b、当基础底板下部采用径、环向配筋时,其径向钢筋可 按截面r2处满足要求来计算,以辐射状进行配筋;环向钢 筋可按等直径等间距方式进行配置。 基础底板配筋的构造要求 圆形基础底板下部不需配筋范围的半径 rd 按以下公式 确定:a、当为径、环向配筋时b、当为等面积方格网配筋时式中,0:底板下部钢筋理论切断系数,按前图由比值 r1/r2查表确定;d1:钢筋直径。当按以上公式计算所得的rd0时,底板下部各处均应配置 钢筋。底板下部不需配筋范围的半径rd 基础底板外悬挑上部的配筋要求a、当圆形、环形基础底板的底面净反力(扣除基础自重 及其上土重后的反力),不出现负值时

6、,底板外悬挑上部 可以不配钢筋。b、当基底净反力出现负值时,底板外悬挑上部应按计算 配筋,其弯矩值可以近似地按承受均布荷载p的悬臂构件 进行计算。其均布荷载 p 按下式计算:式中,N、M:上部结构传至基础顶面的竖向荷载及弯矩 设计值;A、I:基础底面面积及惯性矩。 基础底板上部一般不配或仅配构造钢筋的条件a、不论是何种配筋方式,当按前述公式计算出的环壁以 内底板上部的弯矩M(或M)0时,则一般环壁以内的底 板上部可以不配钢筋。b、属于下列情况之一时,应按下表配置构造钢筋。1 基础底面净反力出现负值时(psmin0);2 当为烟囱基础,设有地下烟道,且烟气温度较高时。 板式基础的钢筋最小直径和最

7、大间距的规定板式基础的钢筋最小直径和最大间距应符合下表所列 规定:例题:环形板式基础设计某钢筋混凝土水塔拟采用环形板式基础,基底持力层为粉 质粘土,承载力特征值 fk=315kPa,=18.9kN/m3,基础埋 深d=3m,作用于该基础顶面的荷载设计值:N=85000kN ,M=112200kN-m,H=1400kN,基础混凝土采用C15, 抗拉强度设计值 ft=900kPa,钢筋为级钢筋,钢筋强度 设计值 fy=310000kN/m2,试设计该环形板式基础。解:(1) 基础外形尺寸的确定1) 地基承载力的确定环形板式基础的外形尺寸及配筋2) 初步确定基础底面积3) 基础各部分半径设环形基础底

8、板的内半径 r4=2.8m为满足地基承载力条件,取r1=10.7m。设r2=8.3m,r3=6.3m环壁底截面中心的半径:查图表,可以得到:=0.38,则,取 r4=2.8m(可以)4) 确定基础底板厚度(2) 地基承载力验算1) 荷载及截面特征值N=85000kN,M=112200kN-m,H=1400kN作用于基底的总弯矩:基底面积:基础及回填土重量:基底截面抵抗矩:2) 基底反力计算3) 地基承载力验算环形基础的等代宽度:地基承载力满足(3) 基础底板抗冲切承载力验算1) 基础底面惯性矩2) 基础底面地基反力计算以基础外悬挑中点处的基底最大净反力计算3) 冲切破坏锥体以外的荷载计算基础有

9、效高度:计算环壁外边缘时:计算环壁内边缘时:4) 底板冲切承载力验算a、冲切破坏锥体斜截面的上、下边周长:验算环壁外边缘时上边圆周长:下边圆周长:验算环壁内边缘时上边圆周长:下边圆周长:b、冲切承载力验算环壁外边缘环壁内边缘(4) 基础底板弯矩及配筋计算环形基础底板上部及下部均采用径、环向配筋,按环壁根 部外边缘r2处截面高度h0=1.16m进行计算。1) 底板下部半径r2处单位弧长的径向弯矩和径向配筋:a、计算径向弯矩:b、径向配筋计算C15混凝土,查表得:级钢筋强度设计值:计算r2处单位弧长的径向钢筋:底板下部径向钢筋配以25125(每米配825, As=3927mm2,因考虑烟道高温对钢

10、筋强度降低的影响, 实际配筋量As比计算配筋量增大19%)。2) 底板下部单位宽度的环向弯矩和环向配筋a、计算环形弯矩b、环向配筋计算查表可得:环向钢筋:底板下部环向钢筋配以18140(每米配718, As=1780mm2,考虑高温的影响,实际配筋量As比计算配 筋量增大11% )。3) 底板内悬挑上部单位宽度的环向弯矩与配筋a、计算环向弯矩b、配筋计算(略)三、壳体基础的设计与施工1、壳体基础的类型和适用条件(1) 壳体基础的类型独立构筑物如水塔、水池、料仓、烟囱、高炉等都有 使用壳体基础的实例,效果良好。壳体基础具有足够的强 度、刚度和稳定性,沉降量小,节省材料,能降低工程造 价,加快施工

11、进度。壳体基础的形式很多,下图是工程中使用的壳体基础 形式,设计时应根据上部结构特点,壳体受力情况、地基 条件及施工条件等,综合考虑后选用。(2) 壳体基础的适用条件壳体基础特别适宜在软土地基采用,对于一般粘土、正、倒锥形壳体基础正、倒球形壳体基础M型组合壳体基础正、倒筒形壳体基础椭锥形壳体基础矩形及连续折板基础伞形双曲抛物线壳体基础弯边双曲抛物线壳体基础双斜扭壳基础椭圆抛物线壳体基础粉质粘土、人工填土地基等也可以采用,但对软弱淤泥质 土需经处理后方可采用。正圆锥壳体基础适合于偏心荷载较小的柱基础或构筑 物基础,M形组合壳体基础则适合于轴心及偏心荷载均较 大的高耸结构物基础,例如筒形电视塔、烟

12、囱、水塔等。2、壳体基础的构造要求(1) 壳体基础的单体构件正圆锥壳体由边梁及壳壁组成,M形组合壳体则由边 梁、外正锥壳、内倒锥壳及上环梁组成。正锥倒球组合壳 则由边梁、外正锥壳、内倒球壳及上环梁组成,下图是三 种壳体基础的具体构造形式。三种壳体基础的结构示意图(a) 正圆锥壳;(b) M形组合壳;(c) 正锥倒球组合壳1边梁;2壳壁;3上环梁;4筒壁(2) 壳体基础的边梁形式壳体基础的下边缘的边梁可以分为小边梁及大边梁两 种形式(见下图),一般多采用小边梁形式,只有当基础 外径大,荷载大或有特殊要求时才采用大边梁。边梁宽度 不大于2.5t(壳壁厚度)时,可视为小边梁。为减小边梁对壳壁产生过大

13、的边缘效应,设计中宜使 壳壁产生的径向力N与边梁段的地基反力合力交汇于边梁 截面中心(下图中b)。常用的小边梁,在计算时可视为壳体的一部分,而不 作为单独构件考虑,只需在构造上适当加强。事实上,只 用少量钢筋加强壳体下缘,则不需要考虑边梁的弯扭等边 界效应。壳体基础的边梁形式(3) 壳体基础的材料要求壳体基础的混凝土强度等级不低于C20,作为构筑物 基础时,不宜低于C30,非预应力壳基础的受拉钢筋宜采 用级螺纹带肋钢筋,预应力壳基础中的预应力钢筋 应优先采用级的高强度钢筋,钢筋保护层厚度不小 于35mm。(4) 按小边梁设计的壳基础构造要求1) 外形尺寸要求当荷载偏心距e0.25r时,壳体基础

14、的各部分尺寸可以按下 表及下图选用。壳体基础构造及边梁截面示意图2) 壳体构造配筋当壳体基础各部分尺寸符合前表的尺寸要求时,正圆锥壳 的径向钢筋,及内倒锥(或内球壳)的径向和环向钢筋可 按构造钢筋的要求配置,其直径和最大间距按下表采用。外锥壳壳壁及边梁的环向钢筋应按环向内力计算确定。当高耸结构壳体基础偏心距e较大(e0.25r),其径向钢 筋的数量应按计算确定。3、壳体基础的设计计算原则和计算内容(1) 壳体基础的内力计算原则1) 小边梁壳体基础:按薄膜无矩理论计算壳体内力,边界 干扰力考虑由构造措施满足。2) 大边梁壳体基础:当边梁宽度b3t,属于大边梁壳体基 础,此时应按弹性近似有矩理论计

15、算壳体基础的边缘干扰 力,计算时将用无矩理论算得的壳体基础内力与用有矩理 论算得的边缘干扰力所引起的附加内力相叠加,即为壳体 基础中的内力。(2) 壳体基础的计算内容1) 由地基承载力确定壳体基础的底面尺寸,可按水平投影 面积及其形状相同的实体基础计算。2) 估算基础的沉降和倾斜,采用与浅基础相同的方法进行 计算。3) 壳体基础各部分构造尺寸的确定包括以下主要内容: 确定壳体基础的材料 确定壳面倾角 根据基底水平面的最大净反力pjmax=pmax-G/A,确定壳 壁的厚度 确定壳体下部边梁的尺寸4) 壳体基础的内力计算5) 截面强度验算及配筋4、正圆锥形壳体基础的计算(1) 地基承载力验算式中

16、,N、M:上部结构传至壳基础顶面的轴力和弯矩;A、W:壳体基础的水平投影面积和相应的截面抵 抗矩;r:锥壳基础底面的水平外半径;fa:经修正的地基承载力特征值(2) 壳体基础的内力计算按薄膜无矩理论计算壳体基础的内力,考虑地基对壳面反 力按有剪力假定计算,公式适用于中低压缩性土。1) 在轴向荷载作用下 环向力(见下图)壳面环向力与径向力壳面任一单位宽度的环向力为:式中,pN:轴向力N在基底水平 面上引起的地基反力,pN=N/A (地基反力分布见下图);r:壳面任一计算点的水平半径 ;:壳面倾角。 径向力壳面任一点单位宽度径向力:式中,r:锥壳大圆水平半径壳体基础的地基反力分布2) 在偏心荷载作用下 环向力壳面任一单位宽度的环向力为:若将壳面斜长分段计算时,则任一分段长度内的总环向力 为:式中,pM:弯矩M在基底水平面上引起的地基反力;:锥壳回转角,见上图;ri:壳面计算段中点的水平半径;bi:壳面计算段的水平长度K:计算

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