钢筋混凝土基础梁的设计方法.pdf

第 41 卷 增刊2011 年 4 月建筑结构Building StructureVol 41AprS12011*国家自然科学基金资助(项目批准号:51078176、50808096)。作者简介:张敬书，硕士，副教授，一级注册结构工程师，Email:zjs66cn yahoo com cn。钢筋混凝土基础梁的设计方法张敬书1，2，汪朝成1，2，金德保3，冯立平3(1 西部灾害与环境力学教育部重点实验室(兰州大学)，兰州 730000;2 兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000;3 甘肃建设工程咨询设计有限责任公司，兰州 730030)摘要 基础梁一般设置在基顶或室内地面附近，这两种设置方式均有利弊。介绍了当前基础梁的设计方法，分析了基础梁设置位置的影响，有针对性地提出了符合实际和规范要求的设计方法。指出可采用满荷载法、非承重墙梁法和三维空间分析法进行计算，在采用三维空间分析法利用计算软件对基础梁进行计算时，应特别注意计算嵌固点的选取、风荷载和地震作用的计算、梁刚度增大系数和扭矩折减系数的取值、混凝土保护层厚度等问题。还提出了基础梁设置在室内地面附近时，对基顶和梁底形成的短柱的处理方法，最后给出了基础梁的设计实例。关键词 基础梁;设置位置;设计方法中图分类号:TU528 01文献标识码:B文章编号:1002-848X(2011)S1-1356-04Design method for foundation beam of reinforced concreteZhang Jingshu1，2，Wang Chaocheng1，2，Jin Debao3，Feng Liping3(1 Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China(Lanzhou University)，Ministry of Education，Lanzhou 730000，China;2 College of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;3 Gansu Architecture Design Consultation Co，Ltd，Lanhou 730030，China)Abstract:The foundation beam may be set on the top of foundation or near the interior floor，and both of the set modeshave their advantages and disadvantages The present design method of foundation beam was described，and the influenceof position of foundation beam was analyzed The design method in accordance with codes was proposed In design，thecomputational methods of full loads，nonbearing wall beam，and three dimensional space analysis may be used If threedimensional space analysis method with calculation software was used in computing the foundation beam，designers mustpay attention to choice of the calculation mounted point，wind load and seismic action，the values of stiffness enhancementcoefficient and torque reduction coefficient of foundation beam and the concrete cover thickness As the foundation beamwas set near the interior floor，treatment methods for short columns between the top of foundation and the bottom of beamwere proposed In the end，a design example of foundation beam was givenKeywords:foundation beam;set position;design method0引言基础梁的主要作用是用来承受并传递首层填充墙的荷载，同时还可以拉结桩基承台或独立基础，从而加强基础的整体性，抵抗不均匀沉降。目前基础梁的设计还存在着一些问题，主要是由于基础梁的设置位置差异，从而影响到上部结构计算嵌固端和计算模型的选择。这不但对基础梁有影响，而且对上部结构的内力也产生一定影响。文中分析了基础梁的设计方法及存在的问题，在此基础上提出了较为合理的设计建议，可供工程设计参考。1基础梁的设计方法及存在的问题目前基础梁设置部位有以下两种:一是设在基础顶部，与基础拉结在一起，如图 1 所示;二是设在基础以上室内地面附近，与层 1 框架柱拉结在一起。这两种设置方法均存在一定的利弊。1 1 基础梁设在基础顶部基础梁设在基础顶部，基础梁能够有效拉结基础，可以增加基础的整体性，具有抵抗一定不均匀沉降的能力，而且上部结构的计算嵌固点位置明确，是传统的设计方法。但在基础埋深较深时，则基础梁上的填充墙用量增多，不经济。在实际设计中，其位置也分两种:一是为基础梁与上部框架柱浇筑在一起，梁底与基顶齐平(图 1(a);二是为基础梁与基础浇筑在一起，梁顶与基顶齐平(图 1(b)。设计中应注意以下几个问题:(1)嵌固端及计算模型的选择。基础梁设置在基础顶部时，嵌固点一般选择在基顶，基础梁与上部结第 41 卷 增刊张敬书，等 钢筋混凝土基础梁的设计方法1357构通常分开建模计算。但有些设计人在采用计算软件计算时，为了省掉叠加底层墙重的麻烦，将基础梁作为一层结构与上部结构进行整体建模分析，这使得本应由基础承受的弯矩在基础梁上进行分配，导致传给基础弯矩减少，设计的基础可能偏于不安全。(2)底层抗侧刚度和层间位移角。在基础梁设在基础顶部时，由于底层柱的计算高度取基础顶面至首层楼盖顶面的高度。由于通常底层计算高度较高，从而造成底层抗侧刚度偏小，底层层间位移显著增大，抗震设计时容易形成薄弱层，对抗震不利。(3)底层柱的配筋。底层柱在室内地面的上下部位由于所处的环境类别不同，钢筋保护层厚度也不同。通常地上的环境类别为一类，地下大多数情况下为二 a、b 类，下部柱的保护层厚度要比上部大。但在实际设计过程中，柱保护层厚度通常按一类环境考虑。所以，在室内地面以下柱的计算配筋量会稍低。(4)刚性地面对底层柱的影响。底层室内地面通常为混凝土刚性地面，对底层柱有一定的侧向约束作用。在水平地震作用下，刚性地面将对底层柱产生一定的约束内力。但在目前的设计中，刚性地面对底层柱的作用还难以定量计算。(a)梁底与基顶平齐(b)梁顶与基顶平齐图 1基础梁的两种布置方案1 2 基础梁设在室内地面附近在基础埋深较深时，通常将基础梁设在室内地面附近。这种情况主要存在以下问题:(1)计算模型的选择。由于基顶是上部结构计算的嵌固端，因此该基础梁实际上是最下层的框架梁，应与上部结构一起进行整体计算。此时，基础梁所在层应定义为地下室，否则，抗震要求底层柱下端弯矩增大的部位将会移到基顶。此外，由于该基础梁实际为框架梁，抗震措施应和框架梁一致。(2)基础梁至基础顶部的短柱问题。基础顶至基础梁顶之间的距离通常要比上部标准层小，底层柱大部分为短柱或超短柱，延性差，对抗震不利。(3)基础梁和底层柱的配筋问题。该问题是由于地上地下混凝土构件的环境类别不同所引起的，地下构件的保护层厚度一般比地上大，计算配筋时和设计时应注意。2建议的设计方法2 1 基础梁设在基础顶部2 1 1 设置位置如基础埋深不大，优先选择基础梁设在基础顶部的方式，此时，建议基础梁梁顶与基顶齐平，如图1(b)所示。计算嵌固端选在基础顶部，柱底弯矩由基础承受，基础梁可单独计算，荷载只考虑基础梁自重及梁上填充墙荷载。抗震等级可取四级或不考虑抗震，构造按普通基础梁或拉梁处理。2 1 2 计算方法(1)按满布荷载法计算。由于基础梁上没有楼板，所以基础梁只承受层 1 填充墙的均布荷载和自重，由于填充墙一般为轻质墙体，故梁上荷载较小，按连续梁满载法计算是可行的。(2)按自承重墙梁的方法计算。该方法是考虑基础梁与上部填充墙共同作用形成自承重墙梁，墙体为拱身，基础梁成拱脚间拉杆承受拉力、弯矩和剪力。计算荷载为基础梁自重及其上墙体自重。这种方法较为经济，但该法要求填充墙的墙体应采用同一种材料砌筑，且对墙上开洞有一定限制。(3)采用软件按三维空间模型(如 SATWE)计算。可单独建一个子目录对基础梁进行计算。计算时应注意以下 4 点:1)基础梁下的柱高取 1 0 1 5m，以尽可能降低其刚度，符合基顶嵌固的实际情况;2)楼板按全楼开洞处理，不考虑梁刚度增大系数及扭矩折减系数;3)不考虑风荷载和地震作用，只考虑梁自重及上部墙体荷载;4)保护层厚度按实际环境类别取值。2 1 3 构造要求该基础梁和普通连续梁相似，但须满足拉梁的构造要求，以保证基础梁对基础的拉结作用。支座处纵筋宜贯通，不宜断开。混凝土保护层厚度应满足地下构件的要求，并按规定设置腰筋。2 2 基础梁设在室内地面附近2 2 1 设置位置在基础埋置较深时，可采用该方案，将基础梁设置在室内地面附近。由于基顶为上部结构的嵌固端，故基础梁的性能类似于框架梁，其抗震计算及构造均应按框架梁考虑。2 2 2 计算方法可采用结构设计软件对基础梁与上部结构进行三维空间整体建模计算，计算时应注意:1)层 1柱高为基础顶至基础梁顶之间的距离，并定义该层为地下室，不考虑风荷载;2)层 1 楼板按全楼开洞1358建筑结构2011 年处理，不考虑梁刚度增大系数及扭矩折减系数;3)基础梁的抗震等级和上部框架梁一致。2 2 3 构造要求(1)构造措施和上部框架梁一样。(2)该方案在基础顶和基础梁顶之间形成了短柱或超短柱，对抗震不利，建议参考以下方法处理:1)基础短柱按高杯口基础处理(图2)，增大短柱的刚度，使短柱成为基础的一部分，具体构造措施可参考 建筑地基基础设计规范(GB500072002)1 第826 条。短柱上端应与基础梁、上部框架柱刚接;2)将基础梁下部至基础之间用素混凝土填实(图3)。采用以上两种方法处理后，上部结构的计算嵌固点仍然可取基础梁顶面，基础梁的抗震要求可比上部框架梁适当降低。图 2短柱按高杯口图 3基础梁下部至基础基础处理之间填素混凝土3设计实例3 1 工程概况某 4 层钢筋混凝土框架结构，层高为 3 0m，8度(0 2g)设防，抗震等级为二级，类场地;梁柱混凝土为 C30，主筋为 HRB335 级，箍筋为 HPB235级;地上为一类环境，地下为二 b 类环境。采用柱下独立基础，按基础埋深不同，基础梁分别按两种方法布置:1)基础埋深较浅，基顶标高为 0 850，基础梁设在基础顶部;2)基础埋深较深，基顶标高为 2 350，基础梁设在 0 000 处。图4 为该办公楼的结构平面布置图。图 4平面布置图3 2 基础梁设在基础顶部分别采用满布荷载法、自承重墙梁法及三维空间分析法计算基础梁的内力和配筋。三维空间分析采用中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部编制的“SATWE”程序进行计算，基础梁下的柱高取1 000mm。限于篇幅，选择轴上的基础梁部分截面进行计算，见表 1。基础梁内力及配筋计算表 1截面AAB 跨中B 左B 右BC 跨中计算方法一二三一二三一二三一二三一二三弯矩设计值/kNm7209288460103605523423072092884710017727092238861009980轴力设计值/kN22553358剪力设计值/kN648829206318648829206649283512762831纵筋计算值/mm2As=56014As=21681As=4627As=27244As=23968As=8064As=321As=56014As=21681As=551As=17105As=6759As=2293As=8464As=18817As=6606As=9372纵筋实配值/mm2As=56014As=26813As=4627As=27244As=250As=26813As=321As=56014As=26813As=551As=145As=2145As=2293As=2145As=2000As=21450As=2145箍筋计算值ASV/mm2ASV0ASV0箍筋实配值ASV/mm2构造配筋注:1)计算方法“一、二、三”分别表示“满载法、自承重墙梁法、三维空间分析法”;2)As、As分别表示支座受拉负筋或跨中受压钢筋、跨中受拉钢筋的面积;3)梁内最小受拉(压)钢筋面积 ASmin=minbh，其中受拉钢筋取 min=max 0002，045ft/fy=0002145，对于偏心受拉构件中的受压钢筋按受压构件考虑，取 min=0002。第 41 卷 增刊张敬书，等 钢筋混凝土基础梁的设计方法1359比较以上 3 种方法的计算结果可发现:按自承重墙梁法设计时，由于梁上墙体拱的有利影响，截面配筋相对较小。满载法和三维空间计算法的计算结果较大。3 3 基础梁设在室内地面附近采用中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部编制的“SATWE”程序对基础梁与上部框架进行三维空间整体建模计算，考虑了不同保护层厚度对基础梁配筋影响。限于篇幅，仅给出了轴上基础梁的部分支座弯矩与配筋计算结果，如表 2 所示。基础梁的支座弯矩与配筋/mm2表 2保护层厚度/mm基础梁支座截面弯矩/kNmMA=12560MB=12250MB右=8790257267070730655703574530725306778040755507347068950通过表 2 发现，保护层厚度对基础梁截面纵筋的影响并不显著，在保护层增大 10mm(二 b 类环境)时，梁纵筋增幅在 2 54%3 37%;在保护层增大 15mm(五类环境)2 时，梁纵筋增幅依次为3 87%5 15%。所以，计算基础梁的纵筋时也可近似按上部结构的保护层厚度来考虑。4结语(1)基础梁设置在基顶和室内地面附近均可行。基础梁设置基顶时，基础梁可以有效拉结基础，但费用较高，且首层容易出现薄弱层。基础梁设置室内地面附近时，基础梁不能有效拉结基础，且基顶到梁底间形成短柱，对抗震不利，但费用低。(2)基础梁设计时应注意对抗震的要求。基础梁设置在基顶时，基础梁的抗震要求低，甚至可不考虑抗震要求。基础梁设置在室内地面附近时，基础梁的抗震要求高，和上部结构是一样的。(3)基础梁可采用计算软件进行计算。在计算时，不应考虑风荷载，基础梁的扭矩折减系数和梁刚度增大系数应为 1，保护层厚度应按规范要求增大，并定义地下室，防止首层框架柱柱底弯矩增大系数的转移。(4)基顶到梁底间的短柱对抗震不利，可采用高杯口基础形式或浇筑素混凝土进行处理。参考文献1 GB500072002 建筑地基基础设计规范 S 北京:中国建筑工业出版社，20022 GB500102002 混凝土结构设计规范 S 北京:中国建筑工业出版社，2002