韓永雷，陳 奕

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100034）

淺析獨(dú)立柱基加防水板在工程實(shí)際中的應(yīng)用

韓永雷，陳 奕

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100034）

獨(dú)立柱基加防水板是近年來新發(fā)展的一種擴(kuò)展基礎(chǔ)形式，但還未列入相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，筆者綜合相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了獨(dú)立柱基加防水板受力特點(diǎn)和受力分析，分析比較了目前常用的設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造措施；采用工程實(shí)例分不同工況進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

獨(dú)立柱基；防水板；工程設(shè)計(jì)

0 引言

獨(dú)立柱基加防水板是近年來伴隨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工發(fā)展而形成的一種新型的基礎(chǔ)形式，多用于大面積的地下車庫及有地下室的多層框架和高層的裙房，特別是在較好地基土上。這種基礎(chǔ)傳力簡單、明確且經(jīng)濟(jì)性較好；當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，該基礎(chǔ)形式的經(jīng)濟(jì)性則更為突出；因此其工程應(yīng)用日益普遍。

傳統(tǒng)的帶有地下室的建筑，基礎(chǔ)形式一般有梁板筏基、板式筏基、設(shè)柱帽筏基、十字交叉梁板基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)等，這些基礎(chǔ)多用于土質(zhì)不良、承載力較低的土層以及高層建筑中。多層框架或高層裙房，上部荷載較小，在地基承載力較好的情況下多采用獨(dú)立柱基加防水板的基礎(chǔ)形式，節(jié)約造價(jià)，同時(shí)傳力簡單明確，方便施工。

1 受力特點(diǎn)及計(jì)算分析

目前，獨(dú)立柱基加防水板的基礎(chǔ)形式并沒有明確的規(guī)范給出設(shè)計(jì)方法，因此許多學(xué)者給出了不同的受力特點(diǎn)，筆者總結(jié)這些受力形式主要可分為兩大類。

1.1 獨(dú)立柱基與防水板共同受力

如圖1所示，獨(dú)立柱基加防水板的基礎(chǔ)形式類似于筏板基礎(chǔ)，獨(dú)立柱基礎(chǔ)部分相當(dāng)于為滿足基礎(chǔ)抗沖切的需要而設(shè)置的變厚板。如果用無梁樓蓋及倒樓蓋的概念來理解該基礎(chǔ)形式則更為恰當(dāng)。但是考慮到地基的傳力與防水板自身的剛度有很大關(guān)系，因此該受力形式在承擔(dān)地基反力部分具有不確定性。

圖1 獨(dú)立柱基與防水板共同受力

在計(jì)算分析時(shí)應(yīng)按照變厚的筏板采用彈性地基梁板分析程序進(jìn)行計(jì)算，考慮到防水板的厚度一般較薄，因此尚需根據(jù)獨(dú)立基礎(chǔ)和防水板之間的變形協(xié)調(diào)，來分配兩者的地基反力。由于這種模型屬于筏板基礎(chǔ)，受力復(fù)雜，并且混凝土和鋼筋用量較多，偏離了采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板基礎(chǔ)形式的初衷，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。

1.2 獨(dú)立柱基單獨(dú)承受地基反力

由于不考慮防水板承受地基反力，傳力途徑比較明確。獨(dú)立柱基礎(chǔ)和防水板可單獨(dú)進(jìn)行分析，上部結(jié)構(gòu)的荷載只傳給獨(dú)立基礎(chǔ)，防水板只承受水壓力，不承受地基反力，為實(shí)現(xiàn)這一假定，需在防水板底鋪設(shè)軟墊層，如圖2所示。

圖2 不考慮防水板承受地基反力

采用該種基礎(chǔ)形式受力明確，獨(dú)立柱基和防水板可分開計(jì)算，并且混凝土和鋼筋用量較省，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，筆者采用了此種設(shè)計(jì)方法。

1）獨(dú)立基礎(chǔ)承受上部建筑傳來的全部荷載，當(dāng)水浮力大于防水板自重（含板上覆土和建筑做法）時(shí)，需考慮防水板傳給獨(dú)立基礎(chǔ)的凈水浮力。這部分應(yīng)力分擔(dān)了獨(dú)立基礎(chǔ)的凈反力，但會(huì)以線荷載的形式傳給獨(dú)立柱基的四周，影響基礎(chǔ)的彎矩，不能忽視。

2）防水板主要承受本身自重，板上覆土、面層，以及地下水浮力，如果水位變化幅度較大，防水板又可分為兩種受力情況：

（1）當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，防水板不承受水浮力或承受較小的水浮力，即水浮力小于等于防水板自重及上覆土面層做法時(shí)，獨(dú)立基礎(chǔ)承受地基反力，防水板及上覆土面層做法等荷載直接傳于地基上，此時(shí)認(rèn)為防水板對基礎(chǔ)沒有影響。

（2）當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，防水板受到較大的水浮力影響，水浮力大于防水板自重及上覆土面層做法時(shí)，防水板會(huì)將凈水浮力轉(zhuǎn)化為獨(dú)立柱基周邊的線荷載，在獨(dú)立柱基底部產(chǎn)生一個(gè)附加的彎矩，影響?yīng)毩⒅装宓呐浣睢?/p>

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 防水板設(shè)計(jì)

由于防水板主要承受水浮力的作用，因此防水板的計(jì)算模型可采用無梁樓蓋模型。

防水板的計(jì)算劃分為柱下板帶和跨中板帶，如圖3所示。采取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，首先確定在豎向荷載作用下X、Y方向的總彎矩，然后乘以相應(yīng)截面的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，即可求得相應(yīng)截面的彎矩值。

對X方向板帶的總彎矩設(shè)計(jì)值為：

對Y方向板帶的總彎矩設(shè)計(jì)值為：

式中：q——相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，豎向荷載設(shè)計(jì)值；

lx、ly——等代框架梁的計(jì)算跨度，即柱子中心線之間的距離；

a——獨(dú)立基礎(chǔ)在計(jì)算彎矩方向的有限寬度。

2.2 獨(dú)立柱基設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的思想，取以下兩種情況的較大值進(jìn)行基礎(chǔ)的配筋計(jì)算。

圖3 防水板板帶劃分

表1 柱下板帶和跨中板帶彎矩分配系數(shù)[1]

1）當(dāng)水浮力≤防水板自重時(shí)，防水板對基礎(chǔ)沒有影響，按照《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》[2]普通獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)配筋。

2）當(dāng)水浮力>防水板自重時(shí)，防水板的凈水浮力qwj會(huì)傳給基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)周邊的線荷載qej和線彎矩mej。

式中：ax、ay——獨(dú)立柱基X、Y向的邊長，m；

圖4 防水板傳給獨(dú)基的等效荷載

表2 防水板的平均固端彎矩系數(shù)[1]

獨(dú)立柱基基底反力的計(jì)算，需要扣除防水板水浮力的影響，然后進(jìn)行普通獨(dú)立柱基下內(nèi)力計(jì)算，最后基礎(chǔ)底板的配筋采用防水板對基礎(chǔ)的附加內(nèi)力與基礎(chǔ)底板自身內(nèi)力疊加的彎矩設(shè)計(jì)值來計(jì)算。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某市軌道交通工程車輛基地運(yùn)用庫附屬用房，長131.4 m，寬24.8 m，建筑高度8.4 m，建筑面積4 889.81 m2，中間設(shè)置3處變形縫；地上2層，局部3層，無地下室，結(jié)構(gòu)形式采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為獨(dú)立柱基。根據(jù)使用要求建立變電所夾層，為局部地下室，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)防烈度7度，地震加速度0.1 g，地面粗糙度類別B類，地震分組第二組，建筑場地類別Ⅱ類。柱截面500 mm×500 mm，柱網(wǎng)6 m（lx）× 6.9 m（ly），基礎(chǔ)面積為4 m×4 m，地基承載力170 kPa，混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋為HRB400級，柱底軸向力設(shè)計(jì)值為N=2 577.5 kN，地下室水位高出防水板底1.5 m。

經(jīng)計(jì)算，獨(dú)立柱基可滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，因存在局部地下室，如采用筏板基礎(chǔ)，局部筏板則受力不明確，而且可能會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降；整體筏板又造成浪費(fèi)，因此局部地下室基礎(chǔ)形式采用了獨(dú)立柱基加防水板的基礎(chǔ)形式。

3.2 防水板設(shè)計(jì)

1）防水板荷載的計(jì)算。

防水板及其面層做法重量標(biāo)準(zhǔn)值為：

防水板的水浮力標(biāo)準(zhǔn)值為：

在地下水浮力控制的內(nèi)力組合時(shí)，防水板的荷載設(shè)計(jì)值為：

2）防水板的配筋計(jì)算。

根據(jù)公式（1）（2），防水板在X、Y方向總彎矩設(shè)計(jì)值為Mx=137.14 kN·m，My=192.34 kN·m?，F(xiàn)以My為例根據(jù)表1可得出各個(gè)截面的彎矩設(shè)計(jì)值，求得配筋值。

表3 柱下板帶和跨中板帶彎矩值和配筋

防水板除滿足計(jì)算配筋外，還應(yīng)該滿足最小配筋率，綜合考慮防水板取雙層雙向三級鋼12@150，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)防水板不承受地基反力，在防水板下鋪設(shè)100厚的聚苯板。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1）防水板傳給獨(dú)立基礎(chǔ)的等效荷載計(jì)算。

根據(jù)公式（3）求得基礎(chǔ)周邊的線荷載為qej≈22.72 kN/m，根據(jù)公式（4）及表2可近似求得me≈11.26 kN·m/m。

2）獨(dú)立柱基基礎(chǔ)底板彎矩計(jì)算。

上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的平均凈反力為pj=N/A= 2 577.5/（4×4）=161.1 kN/m2。

（1）當(dāng)水浮力小于等于防水板自重時(shí)。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式（8.2.11-1）可計(jì)算基礎(chǔ)柱邊緣截面的彎矩。

（2）當(dāng)水浮力大于防水板自重時(shí)。

基底凈反力應(yīng)扣除水浮力部分的影響，即：

由防水板引起的基礎(chǔ)底板彎矩為：

由基底凈反力引起的底板彎矩為：

基礎(chǔ)柱邊緣截面總彎矩為：

M1=M11+M12=204.08+582.71=786.79 kN·m（12）

3）基礎(chǔ)底板配筋計(jì)算。

根據(jù)以上兩種情況計(jì)算出來的彎矩值，選用水浮力大于防水板自重的情況進(jìn)行配筋計(jì)算，根據(jù)地基規(guī)范公式（8.2.12）As=M/（0.9fyh0）進(jìn)行計(jì)算得As=3 736 mm2，按照最小配筋率來計(jì)算得As，min= 0.15%×4 000×700=4 200 mm2，因此基礎(chǔ)底板配筋按照最小配筋率來控制，實(shí)配三級鋼14@150。

4 結(jié)語

獨(dú)立柱基加防水板的基礎(chǔ)形式適用于帶地下室的多層框架或高層裙房結(jié)構(gòu)，本文主要介紹了設(shè)計(jì)方法，同時(shí)以工程實(shí)例介紹了設(shè)計(jì)計(jì)算過程：當(dāng)水位較高時(shí)，不應(yīng)忽略防水板對基礎(chǔ)底板的影響，實(shí)例顯示考慮防水板的影響與否計(jì)算得出基礎(chǔ)柱邊緣截面的彎矩值分別為和，可見這種基礎(chǔ)形式不可忽略防水板的影響；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)防水板只承受水浮力不承受地基反力，在防水板下鋪設(shè)一定厚度的聚苯板。

[1]朱炳寅.獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007（07）.

[2]GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

TU982.2

A

1673-1093（2015）03-0075-04

韓永雷，現(xiàn)就職于北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.03.018

2014-12-26；

2015-01-03