基础结构设计的综合讨论

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摘要：本文主要通过地基处理、结构体系选择、桩基础设计三个具体方面分析结构设计。

关键词：地基处理、结构体系选择、桩基础设计

Abstract: This article mainly through the foundation treatment, choice of structural system, design of pile foundation in three specific aspects analyzes structure design.

Key words: foundation treatment; choice of structural system; the design of pile foundation

中图分类号：TB482.2文献标识码：A 文章编号

建筑设计应满足功能要求的结构,也就是把外界作用对结构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较，以达到结构设计既安全又经济的目的。具体说也就是确定结构的截面尺寸、配筋和满足构造要求。

结构设计包括上部结构设计和基础设计。其中基础设计包括：1，根据工程地质勘察报告、上部结构类型及上部结构传来的荷载效应和当地的施工技术水平及材料供应情况确定基础的形式，材料强度等级，一般有浅基础和深基础；2，基础底面积的确定及地基承载力验算；3，基础内力计算及配筋计算。4，考虑必要的构造措施。

而基础设计是结构合计的重中之重。下面主要从其中的三个方面进行讨论：

一：地基处理

１，软弱地基土的工程特性及其地基处理方法分类，包括机械压实法、强夯法、换土垫层法、预压固结法、挤密法、振冲法、化学加固法、托换技术。

软弱地基土工程特性：

（1） 物理性质差

（2） 抗剪强度低

（3） 压缩性较高

（4） 渗透性很小

（5） 结构性明显

（6） 流变性显著

２，地基处理方法分类

物理处理：置换，排水，，密实，加筋

化学处理：搅拌，灌浆

热血处理：加热，冻结

具体操作如下：

（１）机械压实法：分层碾压法，振动压实法

（２）强夯法： 强夯法是法国L·梅纳（Menard）1969年首创的一种地基加固方法。夯击后的地基承载力可提高2～5倍，压缩性可降低200～500％，影响深度在10m以上。

（３）换土垫层法：当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换土垫层来处理软弱地基。

（４）预压固结法：在建筑物或构筑物建造前，先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，土体密实，提高地基承载力和稳定性。堆载预压法处理深度一般达10m左右，真空预压法处理深度可达15m左右。

（５）挤密法：砂石桩法，土桩挤密法，灰土桩挤密法

（６）振冲法：振冲置换法和振冲密实法。作用机理：在粘土中主要起振冲置换作用，置换后填料形成的桩体与土组成复合地基；在砂土中主要起振动挤密和振动液化作用。

（７）化学加固：灌浆法，高压喷射灌浆法，水泥深层搅拌法。

（８）托换技术：包括基础加固托换中的基础加宽和基础加深技术，以及桩式托换 中的顶承式静压桩托换；锚杆静压桩托换；灌注桩托换；树根桩托换。

二：结构体系的选择

确定建筑方案应综合考虑房屋有重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础以用材料供应和施工条件并结合结构体系的经济合理，选择最合适的结构体系。

在较低的楼房中，水平荷载处于次要地位，结构的负荷主要是以重力为代表的竖向荷载。高层重力荷载很大，而且水平荷载又在竖构件中引起较大的弯矩、水平剪力和倾覆力矩。用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋层数成线性比例增加，用于抵抗侧力的结构材料数量则按房屋层数的二次方的关系曲线急剧增长。高楼在水平荷载作用下，主要靠竖向构件提供抗侧刚度和强度来维持稳定，过大的侧向变形传经使隔墙外墙及外墙饰面出现裂缝或损坏，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。过大的侧向变形会产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物的倒塌。

好的结构体系要有总体屈服机制，即当结构中某些杆件出现塑性铰之后，整个结构承力基本保持稳定的条件下，结构能够持续地产生较大变形而不倒塌，从而最大限度地吸收和耗散地震能量。结构超静定次数愈多，在外荷载作用下，结构由稳定构架变成机动构架。所需形成的塑性铰的数量愈多，变形过程愈长。

以下介绍常见的两种结构框架结构、剪力墙结构和框架剪力墙体系

框架结构横向和纵向地震作用大致相等，柱在纵横两个方向的地震剪力和弯矩基本相同，可采用正方形截面和双向对称配筋，按双向受弯来进行截面设计。角柱受力较复杂，配宜加大，一般放大1.3倍系数。

剪力墙结构混凝土墙在受压、受弯和受剪的复合状态下工作，由于结构整体性强，结构在水平荷载下的侧向变形小而且承载能力考核成绩富裕所以具有较高的抗震能力。

底层的砼墙总截面积可取底层面积的5%-6%，底层墙厚不少于层数的9倍且不小于160MM，为使墙在水平地震力作用下呈延性破坏而不发生脆性剪切破坏，墙不宜过长。

剪力墙虽然具有抗推刚度大，抗侧力承载力高的优点但由于承重墙的间距较密，建筑布置不灵活，不能满足某些建筑的要求。

框架剪力墙体系是在框架体系的基础上增设一定数量的纵向和横向抗震墙，构成双重体系，能将框架结构和剪力墙结构结合起来融为一体。

框剪结构中的剪力墙几乎承担了总水平地震作用的80%以上，所以抗震墙是主要构件，其抗震等级原则上要比框架高一级。

三：桩基础设计和计算

桩基础设计是一个系统工程工作，包括着方案设计与施工图设计。委屈的良好的技术和经济效果，有事应做几种方案比较或对已拟定方案修正使施工图设计成为方案设计的实施与保证。

我国公路、铁路在桩基础的设计中常用的“m”法、就属此种方法

１，首先计算土的弹性抗力及其分布规律

桩基础在荷载作用下产生位移及转角，使桩挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩产生一横向土抗力，它起抵抗外力和稳定桩基础的作用。土的这种作用力称为土的弹性抗力。根据σzx＝Ｃxz其中σzx：横向土抗力，C：地基系数；ｘz：深度z处桩的横向位移。

影响土抗力的因素主要包括土体性质；桩身刚度；桩的入土深度；桩的截面形状；桩距及荷载等因素。

２，承台底面的标高应根据桩的受力情况，桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。桩桩与摩擦桩的选择主要根据地质和受力情况决定。柱桩桩基础承载力大，沉降量小，较为安全可靠，因此当岩基埋深较浅时应考虑采用柱桩桩基。

３，分析单桩、单排桩与多排桩的确定：

主要根据受力情况，并与桩长，桩数的确定密切相关。多排桩稳定性好，抗弯刚度较大，能承受较大的水平负荷，水平位移小，但多排桩的设置将会增大承台的尺寸，增加施工困难，，有时还影响航道。单排桩与此相反，能较好的与柱式墩台结构形式配用，可节省圬工，减少作用在桩基的竖向荷载。在桩基受有较大水平力作用时，无论是单排桩还是多排桩，若能选用斜桩或竖直桩配合斜桩的形式则将明显增加桩基抗水平力的能力和稳定性。

４，桩基础设计。

设计桩基础时，首先应该搜集必要的资料，包括上部结构型式与使用要求，荷载的性质与大小，地质和水文资料，以及材料供应和施工条件等。据此拟定出

设计方案，然后进行基桩和承台以及桩基础整体的强度、稳定、变形验验，经过计算、比较、修改，以保证承台、基桩和地基在强度、变形及稳定性方面满足安全和使用上的要求，并同时考虑技术和经济上的可能性与合理性，最后确定较理想的设计方案。

选择桩基础类型时，应根据设计要求和现场的条件，并考虑各种类型桩基础具有的不同特点，综合分析选择。

采用计算宽度的原因：为了将空间受力简化为平面受力，并综合考虑桩的截面形状及多排桩桩间的相互遮蔽作用。

以结构弹性理论或弹塑性理论为基础,采用作用的短期效应组合、长期效应组合或短期效应组合并考虑长期效应组合的影响，对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，并使各项计算值不超过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定的各项限值。

根据对钢筋混凝土和预应力混凝土受力构件按短暂状况设计时计算其在制作、运输及安装等施工阶段由自重、施工荷载产生的应力，并不超过限值。同时按持久状况设计预应力混凝土受弯构件，应计算其使用阶段的应力，并不超过限值来设计。

材料强度的标准值:材料强度的一种特征值。是由标准试件按标准试验方法经数理统计以概率分布的0.05分位值确定的强度值。 取值原则是在符合规定质量的材料强度实测值的总体中，材料的强度标准值应具有不小于95％的保证率。

在公式推导和计算中，对力和位移的符号作如下规定：横向位移顺x轴正方向为正值；转角逆时针方向为正值；弯矩当左侧纤维受拉时为正值；横向力顺x轴方向为正值。

最后考虑桩基础中桩的平面布置，除应满足前述的最小桩距等构造要求外，还应考虑基桩布置对桩基受力有利。当作用于桩基的弯矩较大时，宜尽量将桩布置在离承台形心较远处，采用外密内疏的布置方式，以增大基桩对承台形心或合力作用点的惯性距，提高桩基的抗弯能力。

参考文献：

1，黎微 铁路桥梁桩-同作用有限元分析 2011

2，王宏波 声波透射法桩基检测应用研究