《地基与基础工程》幻灯片第3章-bw

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1、地基与基础工程,第1页,第3章 柱下条形基础、筏形基础和箱形基础,本章学习要求： 理解： 上部结构、基础与地基的相互作用的概念; 地基变形分析的常用模型； 基础分析的三种方法。 掌握: 柱下条形基础内力计算的三种方法的原理、适用条件； 筏基与箱基的设计计算内容与方法。,地基与基础工程,第2页,3.1 概述,基础形式 柱下条形基础 筏形、箱形基础：50m的建筑 桩筏基础 桩箱基础,地基与基础工程,第3页,筏形基础,具有较大的刚度，能较好地调节上部结构荷载差异引起的地基不均匀沉降； 除此之外，筏形基础能较好地满足地下室的使用功能要求。 是高层建筑中常见的基础型式。,地基与基础工程,第4页,箱型基础

2、,地下空间被分割，利用略显不便。,箱形基础一般为多层，至少一层，因此埋深较大，具有较好的补偿性和较好的抗震效果。 天然地基上较高的高层建筑或重型建筑物一般须采用箱形基础。,地基与基础工程,第5页,桩筏基础,地下空间未被大量分割，方便利用。,地基与基础工程,第6页,桩箱基础,地下空间被分割，利用略显不便。,地基与基础工程,第7页,陆家嘴的高层建筑群,金茂大厦,环球金融中心,返回,地基与基础工程,第8页,金茂大厦工程概况,位于上海浦东陆家嘴，总 建筑面积89500m2。 主楼88层高420.5m, 裙房 6层,层地下室,面积约 21000m2； 巨型框筒结构(以混凝土 为主的钢-混凝土结构)。,地

3、基与基础工程,第9页,地基与基础工程,第10页,地下连续墙,主楼与裙房桩及桩承台平面图,金茂大厦桩基设计,地基与基础工程,第11页,建筑高度：420.5m，地上88层，地下3层； 基础形式：桩筏基础； 筏基尺寸：主楼筏基埋深18m，板厚4m，总量13500m3，C50混凝土； 桩基规格：钢管桩，最大直径914m，最大桩深83m，总计打桩1062根 基坑围护：地下连续墙，深36m，厚1m； 基坑支撑：钢筋混凝土内支撑方案。,上海金茂大厦桩阀基础,地基与基础工程,第12页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,3.2.1上部结构、基础、地基的共同作用基本概念 传统设计采用隔离法，把上部结构、基础

4、与地基作为彼此离散的独立结构单元进行力学分析 。,平面框架结构，柱下条形基础,静力平衡 变形连续、协调,注：刚性基础、扩展基础设计时，仅考虑静力平衡，未考虑变形协调问题！,地基与基础工程,第13页,受力特点：置于地基上的梁倒梁,以柱下条形基础为例,翼板,肋梁,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,地基与基础工程,第14页,地基变形u1 基础底面位移u2 基础顶面位移u3 柱角位移u4,u1= u2 u3=u4,实质上，地基、基础和上部结构变形连续、协调,地基、基础与上部结构三部分功能不同，材料各异，研究方法亦不同，目前要把三部分完全统一起来进行设计计算还有困难。（相对刚度对相互作用影响最大）

5、,地基与基础工程,第15页,柱下条形基础、筏形基础和箱形基础 的设计特点,应考虑上部结构、地基、基础的相互作用；应同时满足静力平衡、变形协调条件。 1.建立能较好反映地基土变形特性的地基模型及确定模型参数的方法； 2.建立上部结构、基础与地基共同作用理论和分析计算方法。 基础与上部结构连接，可采用结构力学的方法求解； 基础与地基间的连接需采用地基模型和结构计算确定。 解答共同作用理论的关键在于基础与地基接触面的反力计算。,地基与基础工程,第16页,3.2.1 上部结构、基础、地基的共同作用的概念,3.2.1.1 上部结构与基础的共同作用 3.2.1.2 基础与地基的共同作用 3.2.1.3 上

6、部结构、基础、地基的共同作用,地基与基础工程,第17页,3.2.1.1 上部结构与基础的共同作用,地基与基础工程,第18页,3.2.1.1 上部结构与基础的共同作用,影响规律： 上部结构刚度影响基础变形、基底受力； 基础刚度、地基变形影响上部结构内力分配。 假定基底反力均布： 上部结构刚性，强制约束基础变形时： 类似“倒置连续梁”，不发生整体弯曲； 支座间将发生局部弯曲。 上部结构柔性，不能有效约束基础变形： 基础同时发生整体弯曲、局部弯曲。,地基与基础工程,第19页,3.2.1.2 基础与地基的共同作用,仅考虑地基刚度的影响： 刚性地基：基础无挠曲，上部结构无附加内力，相互作用可忽略（分开计

7、算）； 地基刚度很小：基础变形大，上部结构内部产生显著的附加内力（次生内应力）.,地基与基础工程,第20页,3.2.1.2 基础与地基的共同作用,仅考虑基础刚度影响： 柔性基础：随上部荷载作用变形，假定上部荷载均匀，则基底压力一般较均匀。 刚性基础：约束地基变形，调整荷载传递，基底压力多不均匀；,地基与基础工程,第21页,3.2.1.2 基础与地基的共同作用,刚性基础基底压力的分布形态(P94),地基与基础工程,第22页,3.2.1.3 上部结构、基础、地基的共同作用,P94自学 共同作用后的基底反力分布 真正的反力分布受地基、基础变形协调的要求制约 最重要的困难，就是选择正确的地基模型！,地

8、基与基础工程,第23页,3.2.2 地基模型,3.2.1.1 文克尔（winkler）地基模型 地基土表面任一点处的变形与该点压力成正比，与其它点压力无关。 公式： p=ks,地基与基础工程,第24页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,p土体表面某点单位面积上的压力（kPa） s相应于某点的竖向位移(m)； k地基抗力系数(“基床系数”,kN/m3) 。,特点：模型简便，只要k值选择得当，结果较理想。但忽略剪应力，未考虑压力扩散，与实际不符。 适用性：适用于软土地基；或压缩层薄，厚度不超过基底短边的1/2，基底压力向外扩散微弱的情形。,地基与基础工程,第25页,3.2 上部结构、基础、地

9、基的共同作用,3.2.2.2 弹性半无限空间地基模型 假定：均质、连续、各向同性半无限弹性介质。 集中荷载诱发的应力、位移布辛奈斯克解。 P坐标原点的竖向集中力； RM点至坐标原点的距离； R线与Z坐标轴的夹角； r M点与集中力作用点的 水平距离。,地基与基础工程,第26页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,3.2.2.3 有限压缩层地基模型 假定： 地基是侧限条件下，有限深度的压缩土层；基于分层总和法，建立地基变形荷载关系。 压缩变形公式： P99，见土力学教材。,地基与基础工程,第27页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,3.2.2.4 地基模型参数的确定 地基抗力系数k的确

10、定 1.根据基底压力p和地基变形s k=p/s 2.按弹性半空间地基模型计算： 3.根据现场荷载试验确定（略）,地基与基础工程,第28页,地基模型的选择？,普遍认为用连续性模型得到的结果比文克尔地基模型得到的结果更符合实际。但文克尔地基模型简单，计算方便，故普遍采用文克尔地基模型。 当基础位于无粘性土上时，特别是地基比较柔软、又有局部荷载时，宜采用文克尔地基模型。 当基础位于粘性土上时，特别是对于有一定的基础刚度，基底反力适中，地基土中应力水平不高、塑性区开展不大时，一般应采用连续性地基模型。 对于塑性区开展较大，或是薄压缩层地基，文克尔地基模型又有了其适用性。当然，能考虑非线性影响的连续性模

11、型可以认为是较好的选择。 当地基土呈明显的层状分布、各层之间性质差异较大时，采用分层地基模型是比较适当的。,地基与基础工程,第29页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,3.2.3 基础分析方法 3.2.3.1 不考虑共同作用分析法结构力学方法 具体方法：假定基底反力线性分布，上部结构、基础、地基三者分别计算。 上部结构：底端固支于基础，求支反力； 基础：上部结构支座处的力为荷载，假定基底反力线性分布，求基底反力大小； 地基：基底压力为荷载，求地基变形 特点：只考虑静力平衡；未考虑连接处位移连续、变形协调引起的基底反力重分配，及其对基础及上部结构的影响。,地基与基础工程,第30页,3.2

12、上部结构、基础、地基的共同作用,常见的结构力学分析方法: 静定分析法: 柱端以荷载替代,基础梁视为静定结构. 倒梁法: 柱端视为支座,基底压力视为荷载,基础梁视为超静定结构.,地基与基础工程,第31页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,3.2.3.2 考虑基础与地基共同作用分析法 部分共同作用法,方法： 1.按静力平衡将上部结构与基础分割，求支反力； 2.选择地基模型，基础承受支座作用力，视为地基上的构件，计算地基反力； 3.计算基础内力。,特点： 未考虑上部结构刚度，所得地基变形偏大； 未考虑基础变形引发的上部结构内力。,地基与基础工程,第32页,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用

13、,3.2.3.3 考虑上部结构、基础与地基共同作用分析法 全部共同作用法 原则：三者连接处同时满足静力平衡、变形协调 上部结构底端位移 基础表面位移； 基底位移 = 地基变形。 方法： 空间子结构法。 特点： 考虑上部结构刚度对基础内力的影响； 考虑地基、基础变形对上部结构内力的影响。,地基与基础工程,第33页,三者之间变形与它们相互作用力、相互刚度有关。 三者之间的作用力与它们的变形和刚度有关。,上部结构、基础与地基之间存在相互作用力，且满足静力平衡条件。,3.2 上部结构、基础、地基的共同作用,地基与基础工程,第34页,三种方法计算结果比较,1,1,2,3,2,3,地基与基础工程,第35页

14、,3.3 柱下条形基础,3.3.1柱下条形基础的结构与构造 3.3.2 柱下条形基础内力计算 1.倒梁法 2. 文克尔地基上梁的计算 3.弹性半空间地基上梁的简化计算链杆法 3.3.3 柱下十字交叉基础,地基与基础工程,第36页,3.3.1柱下条形基础的结构及构造,注：构造措施见GB50007-2002之8.3！ 结构： 矩形梁 翼板 特点： 基底面积较大，能承受较大荷载。 增加建筑整体刚度，减少不均匀沉降，提高抗震性能。,地基与基础工程,第37页,3.3 柱下条形基础,3.3.1柱下条形基础的结构与构造 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）柱下条形基础的构造，除满足扩展基础的构造

15、（规范第8.2.2条)要求外，尚应符合以下规定: 条形基础梁的高度宜为柱距的1/41/8。翼板厚度hf不应小于200mm，当hf=200250mm时，翼板宜取等厚度；当hf250mm时，可做成坡度i1:3的变厚翼板。,地基与基础工程,第38页,3.3.1柱下条形基础的结构与构造,地基与基础工程,第39页,条形基础的端部宜向外伸出，其长度宜为第一跨距的0.25倍,地基与基础工程,第40页,3.3.1柱下条形基础的结构与构造,现浇柱与条形基础梁的交接处，其平面尺寸不应小于下图要求。,地基与基础工程,第41页,3.3.1柱下条形基础的结构与构造,条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢筋除满足计算要求外，顶

16、部钢筋按计算配筋全部贯通，底部通长钢筋不应少于底部受力钢筋截面总面积的1/3,地基与基础工程,第42页,3.3.1柱下条形基础的结构与构造,柱下条形基础的混凝土强度等级不应低于C20。 在软弱土地区的基础梁底面应设置厚度不小于100mm的砂石垫层；若用素混凝土垫层，则一般强度等级为C7.5，厚度不小于75mm。 当基础梁的混凝土强度等级小于柱混凝土强度等级时，尚应验算柱下基础梁顶面的局部受压荷载。,地基与基础工程,第43页,3.3.2柱下条形基础的设计计算,主要设计内容 确定基础底面尺寸： 按照构造确定长度； 按地基承载力确定宽度； 翼板计算：翼板厚和配筋； 按抗剪确定翼板厚度； 按抗弯计算横向配筋。 基础梁纵向内力分析； 构造设计。,翼板,肋梁,地基与基础工