5.3 基础梁板弹性地基梁法计算(下)[/center]

[center]5.3

基础梁板弹性地基梁法计算(下)[/center]

7： 梁元法计算出的竖向位移值与沉降计算值有何区别？

答：本方法计算出的竖向位移值是以当前基床反力系数为刚度而得到的弹性位移，它的目标是使地梁的内力正确，并不是结构的最终沉降。沉降计算应采用分层总和法得出。但节点的竖向差却有实际意义。

8: 钢筋连通系数的含义是什么？

答：按基础规范要求，底板跨中钢筋应全部连通，支座边通筋不小于0.10-0.15%的配筋率。因此程序按用户确定的连通系数乘以最大实际钢筋需要量作为实际钢筋连通量(实际钢筋连通量小于0.15%配筋率时取0.15%配筋率)，余下支座筋(假如有的话)做为短筋布在梁下，当连通系数大于0.8时，钢筋全部连通，不再设梁下短筋。

9:连通筋区域如何布置？

答：请参阅说明书中第三章操作过程中的第三节地基板结构计算与配筋。一般来说通长筋的布置与各设计院的习惯有关，通筋区域可分多种形式，最常用矩形板可分一个水平筋区域和一个竖向筋区域，共两个区域。区域应尽量与板的边界线重合，当用光标点取边界拐点时，程序有自动扑捉的功能。

10:使用本菜单下的刚性假设的整体沉降计算应注意那些问题？

答：首先应注意本沉降计算只能适用于筏板，不能用于梁式基础。第二，地质资料设置不能太浅，必须深于基础埋深，且压缩模量不能为零。第三，底板区格不能重复布置，必须先清除后再重新布置。

另外对高层与裙房连为一体时，不要采用刚性假设，因为底板不能成为刚性板。建议用户在沿后浇带处按刚性假定单独计算高层部位的沉降。

如果计算梁式基础、条型基础和独立基础沉降应采用柔性底板假定方法计算，有关内容参阅技术条件和沉降计算操作部分。

11: 为什么梁元法与板元法计算结果不相同？

答：由于采用的模型假设不同，所以计算结果不可能完全相同。但只要按说明书的要求去设置，两者计算出的内力变化趋势基本相同，其梁板内力相差不会太大，特别是梁刚度相对于板较大时。

12:运行本菜单时屏幕显示“没有找到EFDAT.EF文件”,程序不能正常运行是何原因?

答：由于在交互输入的过程中没有形成梁元法计算所需的文件EFDAT.EF，有关原因及处理方法可以参见6.2.(9)条问题解答。

13:JCCAD中桩筏基础中有倒楼盖法及弹性地基法,计算结果相差较大,怎么处理?

答：两种方法有本质的不同：1、梁单元模型不同，一个是弹性地基梁模型，另一个为普通梁模型；2、由于模型的不同，实际梁承受的反力也不同，一个是支座反力大，跨中反力小，另一个是均布荷载；3、由于模型的不同，弹性地基梁考虑了整体弯曲的影响，而倒楼盖底板是一个刚性平面，不考虑整体弯曲的影响；4、由于倒楼盖底板是一个刚性平面，因此其各部位的反力为：

N/A+Mx/Wx+My/Wy，由此计算得到的梁端剪力无法与柱荷载相平衡。而弹性地基梁端剪力与柱荷载是平衡的。

综上所述，可以知道两者计算结果当然不一样，一般建议用户用弹性地基梁模型计算，之所以提供倒楼盖法，主要是应一些用户的要求，以便与原来的手算方法对比校核。

14: 弹性地基梁结构计算时,5种计算模式,用户怎么选择?

答：关于5种计算模式的含义可参见2.3.2节中的内容。用户一般可选计算模式1、[按弹性地基梁计算]。当上部结构刚度较大，荷载又不均匀时，且采用计算模式1计算效果不好时，才考虑模式2、[按考虑等代上部结构刚度影响的弹性地基梁计算]。当上部结构刚度更大，如框支剪力墙结构时，可考虑采用模式3、[按上部结构为刚性的弹性地基梁计算]。模式4、[按SAWE、TAT计算出的上部结构刚性影响的弹性地基梁计算]的方法很好。但条件是必须在计算SAWE或TAT时选择把刚度传给基础项，且对剪力墙结构容易出现刚度异常问题，特别是TAT刚度。模式5、[按普通梁单元刚度矩阵的倒楼盖方式计算]除用户自己要求外一般不建议使用。(见前一问题)

15: 弹性地基梁结构计算结果抗剪强度不够怎么办?

答：地梁抗剪强度不够是结构分析中常遇到的，一般来说大都伴有扭矩，在弯剪扭联合作用下，很容易出现抗剪强度不足。采用的措施一般是提高混凝土强度、增加大荷载部位的地梁数、不考虑梁的抗扭刚度、增大截面特别是梁宽、考虑上部结构刚度、对局部大荷载部位的地基处理从而调高局部基床反力系数。

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据本人的理解，筏板基础的计算主要分为两部份内容：基础沉降的计算及筏板内力的计算。

在JCCAD中，筏板基础的计算模型主要有弹性地基梁板模型(WINKLER模型)，倒楼盖模型，分层总和法模型。

“弹性地基法”计算模型的基本假定是，以上部柱墙的反力为荷载，以地基为弹性支座，对基础筏板进行有限元计算。地基的弹性刚度根据用户指定的基床系数进行确实。本法计算时地基与基础是整体参与计算，计算后可以同时得到筏板的内力及基础的沉降。

在“倒楼盖法”计算模型中，假定筏板不变形，根据上部结构荷载求出基底反力(基底反力为直线分布)，并以基底反力作为外荷载，以上部柱墙为支座进行有限元计算，从而可求得筏基内力。本法计算时不考虑地基的作用。计算后只能得到筏板的内力。疑问：在JCCAD中，在选择“倒楼盖法”计算模型时，基础的沉降是根据什么方法及程序求出来的？

“单向压缩分层总和法”计算模型，基础沉降时，最终沉降量按单向压缩分层总和法计算。地基内的应力分布采用各向同性均质线性变形体理论。据本人所掌握的知识，此法是不考虑基础共同作用的，首先假定基底压力分布形式，然后，可得到地基内的应力分布(查表或理论公式)，最终沉降量可按单向压缩分层总和法公式算出。疑问：在JCCAD中，1)“单向压缩分层总和法”计算模型，基底压力及其分布是怎么假定的。2)在求出基础沉降后，筏板的内力是根据什么方法或程序求出来的？

在求基础沉降及筏基内力时，基底压力与地基反力的和筏板变形与基础沉降是联系它们之间的桥梁，所以它们的假定在我们理解问题中起着至关重要的作用。弹性地基梁板法(WINKLER模型)，是一种考虑基础与地基相互作用的模型，基底压力与地基反力是作用力与反作用力的关系，它们是一至且协调的。倒楼盖法，是不考虑基础与地基相互作用的，它是先假定地基反力的分布形式，也即力的边界条件，并以上部柱墙为支座，也即位移的边界条件，然后根据板壳理论计算出筏板的内力。单向压缩分层总和法，是求基础沉降的一种方法，是不考虑基础与地基相互作用的，它先假定基底压力及其分布形式，求得地基内的应力，然后根据分层总和法得到基础的沉降。

以本人对上述几种模型的描述及理解，想请教各位，在JCCAD中，在选择“倒楼盖法”模型时，JCCAD是以怎么样的思路求得地基沉降的？沉降计算时，基底压力是怎么假定的？在选择“单向压缩分层总和法”模型时，JCCAD是以怎么样的思路求得筏板反力的？地基反力是怎么假定的？

1，在JCCAD中，在选择“倒楼盖法”计算模型时，基础的沉降是根据什么方法及程序求出来的？

答：程序会自动计算沉降及倾角，与局部变形叠加即可。

２，在JCCAD中，1)“单向压缩分层总和法”计算模型，基底压力及其分布是怎么假定的。2)在求出基础沉降后，筏板的内力是根据什么方法或程序求出来的？

答：先求柔度矩阵，求逆得刚度矩阵，通过求解方程得所有结果。

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pkpm平板筏基建模方法

目前工程中，“柱下或者剪力墙下平板式筏板”在pkpm里计算，简单概括有三个方法：“倒楼盖”“弹性地基梁法”“桩筏筏板有限元计算”。

具体到用“弹性地基梁法”(即jccad中第三个菜单)计算“柱下或者剪力墙下平板式筏板”的操作步骤是什么，这个流程是什么下面具体罗列：

1、首先要按地勘报告输入地质数据，用于沉降计算。非常重要。

2、在菜单2中输入筏基模型，注意筏板一般要挑出，因此首先用网格延伸命令将网格向外延伸一个悬挑长度，然后定义并布置筏板，给出厚度和埋深，并做柱和墙的冲切验算，看看板厚是否满足要求，如不满足，可以加柱帽(注：加柱帽的功能在“上部构件”的菜单中)。

3、输入筏板荷载，如果是平板式基础，可以直接布置板带，程序自动确定板带翼缘宽度形成地基梁模型。也可以不布置板带，直接定义地基梁形成梁元模型。

4、进入菜单3，按梁有限元法计算筏板。首先需要计算沉降，这里有个非常重要的概念，就是地基模型的选用。程序用模型参数kij(默认为0.2)来模拟不同的地基模型，kij=0的时候，为经典文克尔地基模型，kij=1的时候，为弹性半空间模型，不明白看教材。一般软土取低值0~0.2，硬土取高值0.2~0.4。其它参数不难理解，不赘述。梁元法程序提供两种沉降计算模式，刚性沉降和柔性沉降。柔性沉降假定筏板为完全柔性，而刚性沉降则假定为完全刚性。计算完成后，程序用求出的各区格反力除以其沉降值得到各区格的地基刚度值，然后转换为地梁计算用的地梁下的基床反力系数，这样便确定了基地的反力分布，用于下一步的内力计算。沉降计算是筏板计算的核心步骤。

4、基床系数k的合理性判断。沉降计算完毕后，计算数据中会给出各区格的地基刚度，即基床系数。这个系数一般要比建议值小很多。基床系数的合理性，关键看沉降计算结果。可用规范分层总和法手算地基中心点处的沉降值作比较。如出入大，应调整基床系数使其接近手算值。因此，用软件算连续基础，实际上就是对基床系数的校核。菜单5的有限元法中提供的“沉降试算”功能，就是这个思想(其实这个功能就是给懒人和初学者开发的)。

5、对于基床系数的调整，程序提供了一种方便的功能--可以按照广义文克尔地基模型进行地基梁计算，即变基床系数调整法。可以把你输入的基础系数，按照已经计算完毕的各区格的刚度变化率进行调整，作为新的基础系数用于下一步的地基梁内力计算。

6、基础计算模型一般用普通弹性地基梁就可以了，倒楼盖模型缺点较多，一般不推荐。考虑上部结构刚度可根据具体情况选择完全刚性，或等代刚度法。

弹性半空间：

在一个方向受一平面的约束而在其他方向都是无穷大的弹性体成为弹性半空间。

文克尔地基模型：

最简单的线弹性地基模型。基本假定是某一点的压强与其位移成正比，与土和基础界面上其他点无关。比例系数为基床系数。此模型忽略了剪应力的存在，而正是剪应力的存在，使得地基中的附加应力才得以扩散，从而是基底范围外的土发生沉降。故文克尔模型适用于剪应力较小的土，如较为软弱的半液态土，或塑性区较大的土

基床系数与土的性质类别有关，也与基底面积，形状及埋置深度有关。

双参数模型和三参数模型：

文克尔改进模型。考虑剪应力。

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1　筏板基础埋深及承载力的确定

天然筏板基础属于补偿性基础, 因此地基的确定有两种方法. 一是地基承载力设计值的直接确定法.

它是根据地基承载力标准值按照有关规范通过深度和宽度的修正得到承载力设计值, 并采用原位试验(如标惯试验、压板试验等)

与室内土工试验相结合的综合判断法来确定岩土的特性. 二是按照补偿性基础分析地基承载力. 例如: 某栋地上28 层、地下2

层(底板埋深10m ) 的高层建筑, 由于将原地面下10m 厚的原土挖去建造地下室, 则卸土土压力达180kpa, 约相当于11

层楼的荷载重量;如果地下水位为地面下2m , 则水的浮托力为80kpa, 约相当于5 层楼的荷载重量, 因此实际需要的地基承载力为14

层楼的荷载. 即当地基承载力标准值f ≥ 250kpa 时就能满足设计要求, 如果筏基底板适当向外挑出, 则有更大的可靠度.

2　天然筏板基础的变形计算

地基的验算应包括地基承载力和变形两个方面, 尤其对于高层或超高层建筑, 变形往往起着决定性的控制作用.

目前的理论水平可以说对地基变形的精确计算还比较困难, 计算结果误差较大, 往往使工程设计人员难以把握, 有时由于计算沉降量偏大,

导致原来可以采用天然地基的高层建筑, 不适当地采用了桩基础, 使基础设计过于保守, 造价提高,

造成浪费.采用各向同性均质线性变形体计算模型,用分层总和法计算出的自由沉降量往往同实测的地基变形量不同,

这是受多种因素的影响造成的.

(1) 这种理论的假定条件遵循虎克定律, 即应力—应变呈直线关系, 土体任何一点都不能产生塑性变形,

与土体的实际应力—应变状态不相一致;

(2) 公式中S = 7S6 z iAi- z i- 1Ai- 1ES i[ 2 ]

采用的计算参数系室内有侧限固结试验测得的压缩模量ESi , 试验条件与基础底面压缩层不同深度处的实际侧限条件不同;

(3) 利用公式计算的建筑物沉降量只与基础尺寸有关, 而实测沉降量已受到上部结构与基础刚度的调整.

采用箱型基础或筏板基础的高层建筑物,由于其荷载大、基础宽, 因而压缩层深度大,与一般多层建筑物不同, 地基不是均一持力层.

因此在地基变形计算的公式中引入了一个沉降计算经验系数7S. 通过实际沉降观测与计算沉降量的比较,

适应高层建筑物箱型基础与筏板基础的沉降计算经验系数, 主要与压力和地层条件相关, 尤其与附加压力和主要压缩层中(0. 5

倍基础宽度的深度以内) 砂、卵石所占的百分比密切相关. 由于该系数7S 仅用于对附加压力产生的地基固结沉降变形部分进行调整,

所以《建筑地基基础设计规范》规定可根据地区沉降观测资料及经验确定.计算高层建筑的地基变形时, 由于基坑开挖较深,

卸土较厚往往引起地基的回弹变形而使地基微量隆起. 在实际施工中回弹再压缩模量较难测定和计算, 从经验上回弹量约为公式计算变形量10%～

30% , 因此高层建筑的实际沉降观测结果将是上述计算值的1. 1～ 1. 3 倍左右.

应该指出高层建筑基础由于埋置太深,地基回弹再压缩变形往往在总沉降中占重要地

位, 有些高层建筑若设置3～ 4 层(甚至更多层) 地下室时, 总荷载有可能等于或小于卸土荷载重量,

这样的高层建筑地基沉降变形将仅由地基回弹再压缩变形决定. 由此看来, 对于高层建筑在计算地基沉降变形中,

地基回弹再压缩变形不但不应忽略, 而应予以重视和考虑.高层建筑箱型基础与筏板基础的计算与一般中小型建筑的基础有所不同, 如前所述,

高层建筑除具有基础面积大、埋置深, 尚有地基回弹等影响. 有时将基础做成补偿基础, 在这种情况下, 将附加压力视为很小或等于零,

这与实际不符. 由于基坑面积大, 基坑开挖造成坑底回弹,建筑物荷重增加到一定程度时, 基础仍然有沉降变形, 即回弹再压缩变形.

为了使沉降计算与实际变形接近, 采用总荷载作为地基沉降计算压力比用附加压力P 0 计算更趋合理, 且对大基础是适宜的.

这一方面近似考虑了深埋基础(或补偿基础) 计算中的复杂问题, 另一方面也解决了大面积开挖基坑坑底的回弹再压缩问题.

因此《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JGJ 6—99) 除规定采用室内压缩模量ES 计算沉降量外, 又规定了按压缩模量E 0

(采用野外载荷试验资料算得压缩模量E 0, 基本上解决了试验土样扰动的问题, 土中应力状态在载荷板下与实际情况比较接近)

计算沉降量的方法. 设计人员可以根据工程的具体情况选择其中一种方法进行沉降计算.按平面布置规则, 立面沿高度大体一致的单幢建筑物,

当基底压缩土层范围内沿竖向和水平方向土层较均匀时, 基础的纵向挠曲曲线的形状呈盆状形, 即“∪”状.

在研究建筑物荷载的水平分布规律时: 对于筏板基础, 可将筏板划分为许多小单元, 如果不考虑各小单元之间的相互影响,

单位面积承受的荷载重量(基底应力曲线) 与基础的纵向挠曲曲线的形状相吻合, 即也呈“∪”状.

这说明建筑物四周各点沉降量受到其它各点荷载的影响较小, 中部各点沉降量受到其它各点荷载的影响较大; 若将基础设计成整片筏板基础,

势必造成在相同的地基承载力下, 中部沉降量大, 而四周沉降量较小, 基底土变形不相协调.试验表明[ 4 ]:

刚性筏板在试验荷载下主要是整体沉降, 挠曲变形极小, 最大也未超过3‰; 而有限刚度筏板基础则除了整体沉降外还产生挠曲变形,

筏板刚度不同, 挠曲程度也不同.在筏板厚度相同的情况下, 随着长×宽(以矩形为例) 的增加,

筏板的刚度随之降低.因此设计中可选取“板式筏基+ 独立柱基”相结合的基础形式, 即中部(电梯井等剪力墙集中处) 用筏基,

四周柱基础采用独立基础或联合基础. 使筏板的长×宽尺寸减小、刚度增大,这不仅降低沉降变形的挠曲程度, 提高筏板的抗冲切能力, 同时,

减低了板中钢筋应力, 减少筏基的配筋量. 为协调各部分的变形, 使其趋于一致,

还可通过变形验算调整独立柱基的面积.既满足结构使用要求, 又达到相当可观的经济效益.在基础选型设计中, 应结合工程的具体情况,

考虑多方面的因素影响, 充分利用天然地基的承载能力, 通过比较“整片筏基”与“板式筏基+ 独立柱基”的工程造价. 以上2

种不同基础形式, 后者较前者节省约30%～ 40% 的费用,

经济效益显著.当由于地层分布不均匀、上部结构荷载在筏板基础上分布不均匀而引起筏板基础各部分的差异沉降较大时,

可综合考虑采用以下处理措施:

(1) 将出露地质较差的土层挖出一部分, 换填低强度等级的素混凝土形成素混凝土厚垫块, 以改变和调整地基的不均匀变形.

也可以采用“换填法”, 垫层采用碎石、卵石等材料, 经碾压或振密处理, 提高基础的承载能力;

(2) 调整上部结构荷载或柱网间距, 减小基底压力差;

(3) 调整筏板基础形状和面积, 适当设置悬臂板, 均衡和降低基底压力;

(4) 加强底板的刚度和强度, 在大跨度柱间设置加强板带或暗梁等.

3　筏板基础的结构设计

筏板基础的主要结构形式有平板式筏基和肋梁式筏基, 包括等厚度或变厚度底板和纵横向肋梁. 一般情况下宜将基础肋梁置于底板上面,

如果地基不均匀或有使用要求时, 可将肋梁置于板下, 框架柱位于肋梁交点处. 在具体筏基设计时应着重考虑如下问题:

(1) 应尽量使上部结构的荷载合力重心与筏基形心相重合, 从而确定底板的形状和尺寸.当需要将底板设计成悬挑板时,

要综合考虑上述多方面因素以减小基础端部基底反力过大而对基础弯距的影响;

(2) 底板厚度由抗冲切和抗剪强度验算确定. 柱网间距较大时可在柱间设置加强板带(暗梁加配箍筋) 来提高抗冲切强度以减少板厚,

也可采用后张预应力钢筋法来减少混凝土用量和造价. 决定板厚的关键因素是冲切, 应对筏基进行详细的冲切验算;

(3) 无肋梁筏板基础的配筋可近似按无梁楼盖设柱上板带和跨中板带(倒楼盖法) 的计算方法进行, 精确计算可用有限元法;对肋梁式筏基,

当肋梁高度比板厚大得较多时, 可分别计算底板和肋梁的配筋, 即底板以肋梁为固定支座按双向板计算跨中和支座弯矩,

并适当调整板跨中和支座的配筋;

(4) 构造配筋要求: 筏板受力筋应满足规范中0. 15%的配筋率要求, 悬挑板角处应设置放射状附加钢筋等.

设计人员往往配置受力钢筋有余, 构造钢筋却配置不足.

4　筏板基础抗浮锚杆的设置

不少设计人员担心地下水位对底板的浮托力而设置抗拔锚杆, 在这里作如下分析和讨论.

(1) 施工过程中浮托力的产生是由于基坑内积水(雨水和施工用水或地下水渗透) 所致;浮托力的大小与地下室的体积和基坑内积水高度有关.

因此, 只要能在地下室施工过程中有序排水或限制水位, 在基础底板底以下就不会产生浮托力.

(2) 地下室上浮是因为地下室结构及上部结构的荷载重量不足以克服地下水的浮力, 当筏板基础底板上的结构重量大于实际上浮力后,

整个基础结构就能稳定. 因此在地下室和地面上相应有限几层的结构完成后, 就可以克服地下水的上浮力,

不需要在整个施工过程中对水位保持警惕.

(3) 在计算地下水的浮托力时因注意: 筏基底板所承受的浮托压力只是底板与地基岩土的缝隙水压力、孔隙水压力,

板承受的浮托力与地基岩土的缝隙发育程度、孔隙率有关, 其实际压力强度小于静水压强. 其次, 底板的水承压面积并非全部.

由于底板与地基岩土已粘结成整体,因而能提供一定的粘结(抗拔) 力. 有关试验资料认为有效粘结面积占底板面积最小比率为K = 50% ,

而粘结强度最低为250kpa (相当于毛石砌体与M 10 沙浆间的抗拉力). K 值是一重要因素, 应通过试验确定.浮托力的估算:

当K = 50%～ 100% 时,

如地下水位为- 2. 0m 的10m 深地下2 层的基坑, 当底板厚度1 600mm , 顶板单位荷重为1 600kg,

则单位面积的浮托力T 和地下室结构重量W 分别为:

T = 80×(50%～ 100% )= 40. 0 kpa～ 80. 0kpa

W = 1. 6×25+ 16×2= 72. 0kpa

从以上分析和讨论可见, 即使按K = 1 计算使浮托力T 最大, T 与W 的差值也只有8. 0kpa, 待地面上再施工1～ 2

层后, 就能保持整体平衡, 因此只要在地下室施工过程中能保持基坑干燥, 基础和地下室结构及地上2 层结构施工完成后,

就可放弃对地下水位的监测, 从施工过程来看是无需设置抗浮锚杆的.对于一些地下室较大、较深而地面以上结构层数不多的建筑,

则应根据上述总体平衡的原则计算确定抗浮锚杆. 对于地下室面积较大而主体塔楼面积较小的建筑,

应验算裙房部位的浮托力能否与结构自重相平衡, 否则也应设置抗浮锚杆.在底板配筋设计时应注意到由于水的浮托力使底板产生的弯矩,

当板下不设置抗浮锚杆时应全面考虑浮托力产生的弯矩, 当底板设置抗浮锚杆后则可适量减少底板的配筋量.

5　裙房基础的设计

由于裙房的单柱荷载与高层主楼相比要小的多, 因此无需采用厚筏基础, 采用薄板配柱下独立扩展基础即可. 这里需要强调的是,

裙楼独立柱基的沉降与主楼筏板基础的沉降要相协调, 即控制沉降差在允许值范围内. 应根据公式计算主楼沉降量S , 再按各柱的荷载N

值和S值反算出各独立柱基础的面积A (尚应验选地基承载力).

6　结束语

高层建筑基础选型是整个结构设计中的一个重要组成部分, 直接关系到工程造价、施工难度和工期, 因此应认真研究场地岩土性质和上部结构特点,

通过综合技术经济比较确定.高层建筑的基础选型应因地制宜, 除基础应满足现行规范允许的沉降量和沉降差的限值外,

整体结构应符合规范对强度、刚度和延性的要求, 选用桩基或筏基都不是绝对的, 而安全可靠、经济合理才是基础选型的标准.