箱形基础课程设计abrz.doc

箱形基础设计摘要：基础的设计不仅要考虑上部结构的具体情况和要求，还要注意地层的具体条件。通过完成基础的设计，进一步了解基础设计的原理和计算方法，更多的认识相关的设计规范，有助于我们对基础设计的初步掌握。一、箱形基础课程设计任务书1、工程概况 某12层建筑上部采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，±0.00以上高度39.0m，标准层高3.2m，顶层高3.8m（±0.00相当于箱形基础顶面标高，室内外高差0.5m）,框架结构，纵向梁截面为0.35m×0.45m，柱截面为0.7m×0.7m。地下一层，采用箱形基础，上部结构及箱形基础条件如图所示。2、设计资料（1）抗震设防：8度近震。（2）工程地质条件：如图所示。（3）上部结构荷载：见表所示。（4）土压力计算指标：填土的黏聚力c=0，内摩擦角=20°()，天然重度，地表均布活荷载q=10KN/m2。(5)材料：混凝土±0.00以上C30，以下C20，抗渗强度等级>S。表一 ±0.00处竖向集中荷载标准值（KN）轴线号ABCD恒载活载恒载活载恒载活载恒载活载11166.3190.11418.8258.11418.9258.11676.6190.122009.6381.22424.5570.22692.2570.22288.1381.232002.6381.22393.4570.22692.8570.22340.9381.242023.8381.22379.2570.23117.3570.22542.1381.251892.3381.22430.9570.22688.6570.22530.3381.262013.7381.22430.3570.22430.3570.22013.8381.272060.6381.22209.1570.22509.1570.22060.3381.282301.9381.22470.5570.22532.7570.22269.1381.292003.8381.22390.1570.22680.7570.22241.8381.2102010.3381.22435.5570.22650.5570.22280.1381.2111174.2190.11425.1258.11420.1258.11659.6190.1表二 各层水平地震力（横向）（KN）层号123456789101112水平地震力F100.2190.5295.3400.2495.2550.1650.2680.3750.3800.2810.3860.23、设计任务（1）验算箱形基础的尺寸及构造（2）验算地基的强度及变形（3）箱形基础结构设计1）确定基底反力分布，计算上部结构物的折算刚度，箱形基础的刚度。2）箱形基础的顶板、底板计算（内力、配筋及抗剪强度验算），顶板和底板横向只考虑局部弯曲作用，底板纵向考虑整体弯曲和局部弯曲的共同作用。3)箱形基础的内、外墙体计算（内力、配筋及抗剪强度验算）。4）绘制箱形基础的底板配筋图。二、箱形基础地基计算1、 验算箱形基础的尺寸及构造(1) 箱形基础的尺寸及构造如下墙体厚度：外墙 300mm 内墙 250mm板厚：顶板 350mm 底板 500mm(2) 箱形基础水平截面积验算纵墙水平截面积：（0.3×10×6.0+0.25×10×6.0）×2=66 m2横墙水平截面积：0.3×（4.8+2.4+4.8）×2+0.25×4.8×18=28.8 m2墙体总面积：66+28.8=94.8m2基础面积：（10×6.0+0.5×2）×（4.8+2.4+4.8+0.5×2）=793m2=0.119>1/10 (满足要求)=0.70>3/5 （满足要求）（3）基础高度验算：箱形基础高度（总高）h=0.5+3.5+0.35=4.35m>3m且>1/20L=1/20×60=3m=4.35/39=1/8.97,在1/81/12之间，满足要求。=1/13.79>1/18, 满足要求。（4）基础埋深及验算d=4.35-0.5=3.85m<1/10×39=3.9m, 3.853.9,基本满足要求。（5）偏心距计算1）结构竖向长期荷载合力作用点位置为：长期荷载=1.0恒载+0.5活载在实际偏心距计算中，应计入箱形基础自重的影响，对于本题，把箱形基础自重视为均匀对称分布，不产生偏心，只考虑上部荷载产生的偏心，不计基础对偏心的影响。如图所示，上部结构竖向长期荷载合力作用点位置为：,其中i表示1,2,3，11轴线，其中i表示A,B,C,D轴线式中 第i轴竖向长期荷载总和； 第i轴与x,y轴的距离。代入得： =（9126.3+0.5×1902.8）×6.0+（8396+0.5×1902.8）×12+（8403+0.5×1902.8）×18+（8323.2+0.5×1902.8）×24+（8444+0.5×1902.8）×30+(8269.7+0.5×1902.8) ×36+（5674.2+0.5×1902.8）×42+(9516+0.5×1902.8) ×48+（9476.4+0.5×1902.8）×54+（5779+0.5×1902.8）×60=2894889 KNM =(23407.4+0.5×5648) ×48+(22395.1+0.5×5648) ×7.2+(21718.2+0.5×3811) ×12=590972.6 KNM =87179.8+18918×0.5=96638.8 KN =29.95m =6.12m2）基础底面形心位置x=30.0m，y=6.0m 。3）验算偏心距纵向：=0.05m横向：=0.12m=0.12<0.1,满足要求。2、 验算地基承载力及变形(1) 地基承载力验算箱形基础顶面积=（60+0.3）×（12+0.3）=741.69m2箱形基础底面积=（60+0.5×2）×（12+0.5×2）=793m21) 箱形基础自重及其上活荷载的标准值与设计值 恒载标准值顶板：60.3×12.3×0.35×25=6489.8 KN底板：61×13×0.5×25=9912 KN纵墙：66.0×3.5×25=5775 KN横墙：28.8×3.5×25=2520 KN合计=24697.3 KN活载标准值=1.5×741.69+1.5×793=2302 KN (顶板和底板)=+=24697.3+2302=26999.3 KNP=+=1.2恒载+1.4活载=1.2×24679.3+1.4×2302=32859.56 KN2）上部竖向荷载标准值与设计值 =87179.8+18918=106097.8 KN N=1.2×87179.8+1.4×18918=131100.96 KN3）基础底面荷载标准值与设计值+=26999.3+106097.8=133097.1 KNP+N=32859.56+131100.96=163960.52 KN4）竖向荷载偏心产生的力矩 =106097.8×0.12=12731.7 KN =106097.8×0.05=5304.89 KN5）水平地震力对基底的力矩(横向) =860.2×43.35+810.3×39.55+800.2×36.35+750.3×33.15+680.3×29.95+650.2×26.75+550.1×23.55+495.2×20.35+400.2×17.15+295.3×13.95+190.5×10.75+100.2×7.55=197884.01KN6）基底反力式中 基底反力平均值； +基础底面荷载标准值； 基底反力的最大值、最小值；，竖向荷载偏心产生的力矩；,基础底面纵横方向的抵抗矩。对于本题，有=m3=1718.17m3P=167.8- 167.8-7.41-0.66=159.73 kpa167.8+7.41+0.66=175.87kpa考虑水平地震力时， 式中 考虑水平地震作用时的地基最大压力； 水平地震力对基底产生的力矩； 与地震力组合时，上部荷载在横向偏心引起的力矩，取值为=1.2（恒载+0.5活载） =1.2×(87179.8+0.5×18918) ×0.12=13916 KN·m代入得： =167.8+=325.6 kPa（2）地基承载力特征值 根据场地地质条件，地基承载力特征值按建筑地基基础设计规范（GB5007-2002）确定，其修正值为： 式中 修正地基承载力特征值； 地基承载力特征值； ，地基承载力修正系数，基底以上土类按湿陷性黄土地区建筑地基基础设计规范规定由表查得： 基础以下土的重度，地下水位以下取浮重度； 基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度； b基础底面宽度，当b<3m时，按3m计；当b>6m时，按6m计； d基础埋置深度，对于箱形基础，从室外底面标高算起，当d<1.5m时，按1.5m计。表三 承载力修正系数土的类别淤泥和淤泥质土01.0人工填土e或I大于等于0.85的黏性土01.0红粘土含水比>0.8含水比0.800.151.21.4大面积压实填土压实系数大于0.95、粘粒含量最大密度大于2.1t/m3的级配砂石001.52.0粉土粘粒含量粘粒含量0.30.51.52.0e或I大于等于0.85的黏性土粉砂、细砂（不包含很湿与饱和时的稍密状态）中砂、粗砂、砾砂和碎石土0.32.03.01.63.04.4注：强风化和全风化的岩石，可参照风化成的相应土类取值，其他状态下的岩石不修正； 地基承载力特征值按深层平板载荷试验确定，取0。查表得： =230kPa , =0.3, =1.5, =18KN/m3 b=13m>6m 按6m计 d=4.35-0.3=4.05m =代入得：待添加的隐藏文字内容2 =230+0.3×18×(6-3)+1.5×17.88×(4.05-0.5) =341.1kPa（3）验算：=16708kPa<=341.1kPa (满足要求)=175.87kPa<1.2=409.68kPa(满足要求)P=159.73kPa>0 (满足要求)=325.6kPa<1.2=1.2×=1.2×1.3×341.4=532.6kPa (满足要求)上式中为地基土抗震承载力设计值，为地基土抗震承载力调整系数。3、 地基变形验算地基变形采用分层总和法计算，根据建筑地基基础设计规范（GB 5007-2002），沉降计算公式为 式中 s地基最终沉降量，mm; 沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用表值； 对应于荷载效应准永久组合时的基底附加压力，=P,其中P为荷载效应准永久组合时对应的基底附加压力，、d意义同前，kPa；表四 沉降计算经验系数基底附加压力基底下图的压缩模量（MPa）（当量值）2.54.07.015.020.0>1.41.31.00.40.21.11.00.70.40.2注：为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，=，为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。基础底面下第i层土的压缩模量，MPa； 、基础底面至第i层土、第i-1层底面的距离，m; 、基础底面计算点至第i层土，第i-1层土底面范围内的平均附加应力系数，可按地基基础规范附录K采用。n地基沉降计算深度范围内所划分的土层数。对于本题，有 由于=95.4kPa<0.75=0.75×230=172.5kPa,故查表可得： 细砂层以下的土的密度较大，变形较小，忽略其引起的沉降，取受压层厚度为7.05m 。计算下图所示基础o、a、b点的沉降。（1） o点的沉降将基础分为4块，按部分综合角点法计算。1/b=30.5/6.5=4.69, z/b=7.05/6.5=1.08查表得 0.2338代入得: =0.4=16.77mm（2） a,b点的沉降如图所示，a,b两点由荷载效应准永久值组合产生的基底压力P，为 =式中 意义同前； 上部竖向荷载偏心在基础横方向产生的力矩标准值； 基础横向抵抗矩。 =（87179.8+18918）×0.12=12731.7 KN·m代入得：=kPa基底附加压力为 =175.2-17.88×4.05=102.8kPa =160.4-17.88×4.05=88.0kPa1） a点的沉降 =均布荷载引起的沉降+三角形分布的荷载引起的沉降将基础分为两块，按分部结合角点法求。对于， 查表得 0.2463代入得 =0.4×（7.05×0.2463×2-0）=8.15mm对于， 查表得 0.2091 =0.4×（0.2091×7.05×2-0）=1.16mm =+=8.15+1.16=9.31mm2） b点的沉降 =均布荷载引起的沉降+三角形分布荷载引起的沉降 =8.15mm对于 ， 查表得 0.0368 =0.4× =+=8.15+0.2=8.35mm（3） 箱形基础横向倾斜 =0.00007（4） 横向倾斜验算 =0.00330.0022>=0.00007 (满足要求)三、箱形基础结构设计根据高层建筑箱形基础与筏形基础技术规范（JGJ 699），当箱形基础符合构造要求时，结构设计可不考虑风荷载及地震作用的影响。1、 顶板计算（1） 地下室房间顶板 局部弯曲产生的弯矩采用根据弹性薄板理论公式编制的实用表格进行计算，地下室底板可视为支承在箱形基础墙体上的连续板，其内区格板边界可视为固定，边角区格的外边界根据墙对板的实际约束情况确定，本题近似按固定边考虑，如图所示。荷载：板自重0.35×25=8.8 KN/m2活荷载1.5 KN/m2荷载设计值 1.2×8.8+1.4×1.5=12.7 KN/m2 =0.8>0.5按四周边固定的双向板计算。有双向板计算系数表得 =0.0271×12.7×4.82=7.9 KN·m =-0.06664×12.7×4.82=-18.8 KN·m =0.0144×12.7×4.82=4.2 KN·m =-0.0559×12.7×4.82=-16.4 KN·m地下室顶板配筋见表五，表中板宽b=1000mm，板的有效高度=350-35=315mm，混凝土轴心抗压强度设计值 ，钢筋抗拉强度设计值。表五 地下室房间顶板配筋位置M（N）（N）（mm2）配筋实配面积7.9×1060.953×1090.00830.995883.9512200565-18.8×1060.953×1090.01970.99200.95122005654.2×1060.953×1090.00440.997844.5412200565-16.4×1060.953×1090.01720.9913175.0712200565注：实际配筋按构造要求配置。（2） 走道顶板按两端固定的单向板计算，取b=1000mm，、及荷载取值与房间顶板相同，计算简图如图所示。=3.1 KN·m= -6.2 KN·m配筋：跨中、支座均选12200，A=565mm2,按构造配筋。（3）顶板斜截面抗剪承载力验算对钢筋混凝土板，一般不配置抗剪钢筋，由混凝土抵抗剪力，因此顶板厚度要满足下式要求。 式中 V板所受的剪力减去刚性角范围内的荷载； 混凝土轴心抗拉强度设计值； b计算所需的板宽度； h板的有效高度。其中：=1.1 N/mm2 , b=4800, h=350-35=315mm图中阴影面积s= V=12.7×6.17=78.36 KN0.7=0.7×1.1×4800×315=1164240 N =1164.24 N >V=78.36 KN (满足要求)2、 底板计算（1） 底板斜截面抗剪承载力验算及抗冲切承载力验算1） 斜截面抗剪承载力验算 按下式验算： =(800/)1/4, 800mm , 取=800mm荷载设计值 p=167.8kPa图中的阴影面积为： S=1/2(1.2+4.795) ×2.4-0.59)=5.4m2 V=167.8×5.4=906.12 KN , =(800/)1/4=1.0 =0.7×1×1.1×(4550-2×465) ×465=1296141 N =1296.14 KN> V=906.12 KN (满足要求)2） 抗冲切承载力验算底板抗冲切承载力应满足一下要求： 式中 墙体对底板45°刚性角以外阴影部分面积S上的地基土平均净反力设计值，其中为扣除箱底板自重后的基底净反力，S为图中阴影部分图形面积； 混凝土抗拉强度设计值； 距墙边/2处的周长； 冲切破坏锥体的有效高度。 受冲切承载力截面高度影响系数，当h800时，取1.0；h200时，=0.9；其中，=p-底板自重及活载设计值 =167.8-=150.7kPa S=4.795×3.62=17.4m2 =2×(4.8-0.25-0.465)+2×(6.0-0.125-0.15-0.465)=18.71m =1.1N/mm2 , =9.6 N/mm2 ，=500-35=465mm代入得 150.7×17.4=2622.18 KN =0.7×1.0×1.1×18710×465=6.7×106 N =6700 KN>2622.18 KN (满足要求)（2） 局部弯曲计算 计算简图如图所示，扣除底板自重及其上活载，荷载设计值为150.7kPa 。=0.8>0.5, 按四周边固定的双向板计算。由表得 =0.0271×150.7×4.82=94.09 KN·m =-0.06664×150.7×4.82=-223.6 KN·m =0.0144×150.7×4.82=50 KN·m =-0.0559×150.7×4.82=-194.09 KN·m底板局部弯曲配筋计算见表 ，表中板宽b=1000mm，板的有效高度=500-35=465mm，。表六 底板局部弯曲配筋计算位置M（N）（N）（mm2）配筋实配面积94.09×1062.076×1090.04530.977690.36181501700-223.6×1062.076×1090.1070.943200.9522150253340×1062.076×1090.0190.9944.54与整体弯曲一起考虑-155.27×1062.076×1090.0750.96175.07注：当考虑局部弯曲与整体弯曲叠加时，局部弯曲产生的弯矩，乘系数0.8（当仅考虑局部弯曲时，不乘折减系数）（3）整体弯曲计算1）基底反力箱形基础底面的长宽比为： 表七 基底反力系数461.1460.9720.9460.9350.9350.9460.9721.146各区段的基底反力（沿纵向分布的线荷载），其中p=(p+N)/bl=170456.7/793=214.95N/mm2=pB=×214.95×13=2794.35各区段基底反力区段12345678基底反力（KN/m）3202.32716.12643.52612.72612.72643.52716.13202.3=-箱基自重的设计值=-32859.6/61=-538.7扣除箱形基础自重后的基底反力见下表 扣除箱形基础自重后的基底反力区段12345678（KN/m）2663.62177.42104.8207420742104.82177.42663.6根据上述计算，得到整体弯曲内力计算简图如下图所示，图中各轴线荷载为横向荷载设计值的叠加。2）整体弯曲产生的弯矩及剪力根据上图，用静力平衡法求弯矩和剪力。各轴线处的弯矩为： 轴线 =0;轴线 -1140.6轴线 =4198.4由此类推可得到各轴线处的M值。 各轴线处的剪力为：轴线号1234567891011左侧07800.77513.26260.239842433.67568.36880.16533.76243.88189.8右侧-8180.9-6280.5-6586.4-8898.6-10010.4-4875.7-5102.5-6312.9-7549.97791.803、箱形基础外墙计算（1）外纵墙计算1）内力计算土压力计算由于箱形基础顶、底板对外墙约束较强，因此土压力按静止土压力计算。静止土压力系数用下式计算： =1-sin=1-sin20=0.66A.墙顶以上覆土产生的土压力：=0B地面均布活荷载产生的土压力： 10×0.66=6.6 kPa设计值=1.4×6.6=9.2 kPaC墙体高度范围内填土的土压力：墙顶=0， 墙底=， ,=0.66=19×3.6×0.66=54.17 kPa内力计算内力按弹性理论双向板计算，将何在分为均匀荷载及三角形分布荷载。对于均布荷载： =0.0342×9.2×3.952=4.91KN·m =-0.075×9.2×3.952=-10.77KN·m =0.0099×9.2×3.952=1.42 KN·m -0.0570×9.2×3.952=-8.18 KN·m 对于三角形： =54.2kPa =0.66>0.5 叠加得 2）正截面承载力计算正截面计算见下表11，表中=300-25=265mm，考虑墙体的构造要求，将支座、跨中钢筋全部拉通，形成双面筋。侧墙混凝土等级为C25，=1.1，=9.6，=1.0，受力筋为HRB335级，=300。 表 外纵墙正截面配筋计算位置M(N·mm)(N·mm)（）配筋实际面积（） 6.740.02960.9852254.7614200769 6.740.07430.9610655.3714200 769 6.740.00900.994876.7414200769 6.740.04790.9753416.32142007693.4 箱型基础内墙计算 （1）内纵墙计算 1）墙体剪力计算 分给内纵墙的剪力为（取©纵墙横墙计算） =式中，内纵墙厚度； 第©纵墙第横墙处柱子的竖向荷载； 其余符号同前。 对于本题： =0.25m =2688.61.2+570.21.4=4024.6kN = 修正后剪力值为 =-=（） =2577.97-196.43(2.88+0.72) =1869.9kN 2）墙体斜截面承载力验算 墙体截面验算 0.3=0.39.62504315=3.107N>=1869.9kN (满足要求) 竖向抗剪钢筋计算 试选12200竖筋，双面配置。 = 0.7+1.25 = 0.71.12504315+1.253001.134315 =2659.1kN>=1869.9KN（满足要求） 因此选用12200竖筋，双面配置。 （2）内横墙计算 1） 墙体剪力计算 墙体剪力按下式计算 = 式中 横墙截面剪力值； A图阴影部分面积； 对于本题 =196.43kPa，A=2.42.42=5.76 代入得 =196.435.76=1131.4kN 2）墙体斜截面承载力验算 0.3=0.39.62504315=3106.8kN >=1131.4（满足要求） 3）竖向抗剪钢筋计算 计算方法同内纵墙。最后内横墙竖、横筋均选12200，双向配置。四、箱形基础的主要构造要求 （1）为避免不均匀沉降，箱形基础的平面形状要力求简单规整，同一建筑单元中，不宜采用局部箱形基础。在同一箱形基础中不宜采用不同高度或不同的地基标高。 （2）为保证箱形基础具有足够的刚度和整体性，其高度一般应大于箱形基础长度的1/8，且不宜小于3.0m，箱形基础的外墙沿建筑物的四周布置，内隔墙一般沿结构柱网或剪力墙纵横均匀布置。 （3）箱形基础的顶、底板厚度按计算确定，顶板厚度一般取2040cm，底板一般取40100cm。 （4）箱形基础.墙体厚度按实际受力进行抗剪和抗弯验算，但一般情况下外墙厚不应小于25cm，内墙不宜小于20cm,采用双面配筋，每面不宜少于10200，并适当在顶、底加筋。 （5）顶底板配筋按结构类型不同，分别考虑整体与局部弯曲计算配筋，注意配筋部位，以充分发挥各截面钢筋的作用。对现浇剪力墙体系可仅考虑局部弯曲配筋，考虑到整体弯曲的影响，钢筋配置量除符合计算要求外，纵横方向支座钢筋应分别有0.15%，0.10%配筋率连通配置，跨中钢筋按实际配筋率全部连通。 （6）当底层柱与箱形基础按接触局部承压强度不满足时，应增加墙体局部承压面积，且墙边与柱边及柱教与八字脚之间近距不宜小于5cm。（7）箱形基础底层柱主筋伸入箱形基础的深度，应保证主筋直通基底，其余钢筋伸入顶板底皮以下的长度不应小于45d。对预制长柱应设置杯口，按高杯口基础设计要求处理。 （8）箱形基础混凝土强度等级不应低于C20，抗渗强度等级不应低于S。 （9）当箱形基础长度超过40cm时，可设置后浇施工缝，缝宽不宜小于80cm，钢筋必须贯通，后浇时间应根据沉降分析确定。