框架结构基础设计探讨

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建筑结构设计关系到建筑的使用功能、建筑的质量、建筑的外观结构等多方面的问题，因此，在建筑工程设计中，结构设计必须要符合相关的设计标准和要求，特别是框架结构的基础设计，涉及到建筑的框架基础的稳定性，更需要设计人员重点关注，文章将就框架结构基础设计进行探讨，主要内容包括基础的类型及其选型、基础分析模型、条形基础设计等主要的部分。

框架结构基础设计是建筑框架结构的重要组成部分，在建筑设计中有着重要的地位。为了保证设计的科学合理，保证设计的先进性，相关的设计人员需要对基础的类型有清晰的了解，然后在根据实际的需要进行正确的选型，此外，还需要对基础进行适当的分析，对其中的条形基础设计等具体内容进行细化分析和选择。

1.基础的类型及其选型

首先，在设计时需要了解基础的主要作用。基础的作用就是要把上部结构的荷载可靠地传递给地基。这就意味这基础一方面要满足承载力要求，另一方面要有足够的刚度，保证其能够顺利的调节可能出现的地基不均匀沉降的情况。一般而言，基础都是采用钢筋混凝土。在多层房屋的框架基础设计中，条形基础、十字形基础、独立基础、片筏基础、箱形基础和桩基础是常用的形式。前5种基础称为浅基础，而桩基础属于深基础。如果建筑的层数不多、而且荷载不大，场地土地质条件较好时，多层框架结构也可采用柱下独立基础。但是，如果柱距、荷载较大，或者说当地基承载力不高时，单个基础的底面积就会非常大，此时可以考虑把单个基础在一个方向连成条形，做成柱下条形基础。

与独立基础相比，条形基础可以适当调节地基可能产生的不均匀沉降，能够有效的减轻不均匀沉降对上部结构造成的危害，这样一方面保证了一定的底板面积，另一方面就增加了基础的刚度，以及调节地基不均匀沉降的能力，柱下条形基础常做成肋梁式的。一般来说，在布置时条形基础的向与承重框架方向是一样的，也就是说对于横向框架承重方案，就把条形基础布置在横向方向，而在纵向布置构造连系梁；如果是纵向框架承重方案，就需在纵向布置条形基础，而在横向则布置构造连系梁。一般来说，纵横向框架承重方案，需要在两个方向布置条形基础，也就称为十字形基础。

当上部荷载不断增加的时候，所要求的底板面积也就会相应的增大，而到一定程度时，底板会连成一片，此时我们就称为片筏基础。片筏基础有两种形式，即平板式和梁板式。平板式片筏基础，施工便捷，不过需要用大量的混凝土；梁板式片筏基础的主要优点在于，能够通过布置肋梁来有效的增加基础的刚度，所以能够减小板的厚度，但是其也有其缺点，比如说施工较为复杂。

如果房屋设有地下室，那在设计中可以考虑把地下室底板、侧板和顶板连成整体，同时根据需要设置一定数量的隔板，以便能够形成箱形基础。使用箱形基础的主要优势就在于其刚度大，调节地基不均匀沉降的能力很强。一般而言，箱形基础主要用于高层建筑。当然，必须要说明的是，为了能够形成整体工作，必须要设置箱形基础的隔墙。因为，要是没有隔墙，那地下室的底板就只能按一般片筏基础设计；顶板按一般楼盖设计；侧板则按承受土压力的板设计。

当选用片筏基础后地基的承载力和变形仍达不到要求时，就需要考虑采用桩基础把上部荷载传至较深的持力层。高层建筑的主要基础形式是桩基础，有时也会结合地下室，常常采用桩一箱复合基础的形式。在正常情况下，浅基础的工程造价比深基础低，但假如持力层较深，那为了减少挖土量，使用桩基础或是更为经济。

在实际的设计中，基础类型的选择，需要进行综合的考虑，包括考虑场地土的工程地质情况、上部结构对地基不均匀沉降的敏感程度、上部纠陶荷载的大小以及现场施工条件等因素。如果是大型工程，那在设计时就需要进行必要的技术经济比较，在进行综合考虑后在选定。

2.基础分析模型

因为上部结构、基础和地基其实是一个整体，在整个结构中是共同作用的，所以较为理想的方法就是把三者作为一个整体进行分析。然而工程中往往采用简化分析模型，把上部结构与地基基础分开分析，这主要为了减轻计算工作量。一般来说，任意一种分析模型都需要满足上部结构与基础、基础与地基之间的力的平衡和变形协调条件。基础主要是受上部结构传来的荷载以及地基反力的作用。通过上部结构内力分析可以得到前者；而后者需要运用到地基模型。

2.1地基模型

地基模型主要是对地基沉降与基底压力之间关系的描述。地基的模型的种类很多，最简单、使用最广泛的地基模型是文克勒模型。这种模型是通过假定地基上某一点所受到的压强与该点的地基沉降成正比，把其比例系数称为基床系数。这种模型主要是认为，任意一点的沉降只是和该点受到的压强有关，和其它点的压强没有关系，实质上其是忽略了地基土的剪应力。这就使得地基相当于是由一根根单独的弹簧组成，所以这一模型也会被称为弹簧地基模型。

因为这种模型忽略了剪应力的存在，所以如果根据该模型地基中的附加应力，是绝对不可能向四周扩散分布的，也就不会出现基地以外的地表发生沉降的情况，这显然不太符合实际情况。然而因为这种模型简单，所以现在仍被广泛地使用。如果厚度不超过基础宽度一半的薄压缩层地基，那就可以选择这种模型。

半空间地基模型另一种较为常用的地基模型。这种模型把地基假定为半无限空间匀质弹性体，地基上的任意一点的沉降都与整个基底反力的分布有关。尽管弹性半空间模型注意到了应力和变形的扩散，单身其计算所得的沉降量和地表的沉降范围，往往会超过实测结果。通常我们会认为这是因为实际地基的压缩层厚度都是有限的原因造成的。另外，就算是同种土层组成的地基，其力学指标也是随深度变化的，并不会是匀质体。

压缩层地基模型假定地基沉降等于压缩层范围内，各计算分层在完全侧限条件下的压缩量之和。这种模型可以很好的反映地基土扩散应力和变形能力，而且也充分的考虑了土层沿深度和平面上的变化以及非匀质性。不过，因为它只能计及土的压缩变形，所以也是没有办法考虑地基反力的塑性重分布。所以，为了更进一步了解实际地基反力与沉降的关系，一些典型工程会通过进行现场实测，在实测数据的前提下，提出基底反力的经验计算公式。

3.条形基础设计

在条形基础设计中，首先要进行的是条形基础的内力分析，这也是设计的核心内容。

3.1确定基底反力和基础底面尺寸

根据文克勒地基模型，再加上刚性基础假定，我们可以迅速的推出基底反力为线性分布。如果设条形基础的长为L，宽为B，那按照基础的平衡条件，可以得到基底反力的最大值和最小值为：

3.2静力法

因为沿长度方向等截面的基础梁，它的自重和覆土重，一般不会在梁内造成弯矩和剪力，所以在进行基础内力分析时，基底反力采用通常是不包括基础自重和覆土重的净反力的。在基底净反力和柱子传来的竖向力、力矩作用下，基础梁的任一截面的弯矩和剪力都可以通过理论力学中的截面法求出。通常会选取若干个截面进行计算，然后绘制弯矩图、剪力。

3.3倒梁法

倒梁法主要是把基础梁作为以柱子为铰支座的连续梁，通过结构力学中力法、位移法或弯矩分配法可以准确的计算出来。但是，我们要注意的是用倒梁法计算所得的支座反力，往往不会等于上部柱子传来的竖向荷载。也就是说在上部结构与基础之间，不满足力的平衡条件，计算的结果就需要进行调整。而在实用中，利用调整局部基底反力可以完全消除这种差异。首先可以把支座反力与轴力间的差值均匀分布在相应支座两侧各1／3跨度范围内，当成基底反力的调整值，接着再进行一次连续梁分析。假如调整后柱子轴力与支座反力的差异还是很大，那就需要继续调整，直至两者基本吻合。

4.结语

总而言之，框架结构基础设计需要专业的技术作为支撑，需要科学的设计原理作为指导。设计人员在设计建造的结构时，需要对框架结构的基础设计进行深入的观察和研究，根据原有的经验和现有的技术，结合工程建设的需要，设计出合理的施工方案。

参考文献

[1] 黄文穗、金宗濂. 岳阳某大厦裂缝的分析、处理及防范[J]. 中外建筑，2001（02）.

[2] 王允锷. 短柱基础在多层框架结构中的应用[J]. 建筑结构，2003（10）.

（作者单位：钦州市开发投资集团有限公司广西钦州535000）