基础--PKPM系列软件JCCAD部分的应用与探讨F

PKPM系列软件在结构设计中的应用与探讨（基础部分）刘民易

中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所 010-84276262E-mail:p?b@pkpm.cn

一、地质资料的输入 ▲标高的含义：

?绝对标高：根据地质勘探报告给出的大地坐标直接输入即可 ?相对标高：相对于结构±0处

?地质资料输入/孔点输入/修改系数/孔点标高,探孔水头标高,土层底标高 不一定填黄海高程，可以自己任定标高系统。

?基础人机交互输入/参数输入/基本参数/基础设计参数/室外自然地坪标高/一层上部结构荷载作用点标高:

基础交互输入中所有的标高应与结构标高一致。 ▲孔点坐标的单位: 单位是“米”，应该按照地质勘探报告提供的坐标值的相对值输入。

▲不同基础类型对土的物理力学指标有不同要求，在JCCAD中可以把地质资料分为两种情况：

?无桩时:压缩模量、重度

?有桩时：压缩模量、重度、状态参数、内摩擦角和粘聚力 注意：

根据所有勘探点的地质资料，将建筑物场地地基土统一分层。

分层时，可暂不考虑土层厚度，把其它参数相同的土层视为同层。再按实际场地地基土情况，从地表面起，向下逐一编土层号，作成地基土分层表

土层名称可相同参数不同

所有土层的压缩模量不能为零（若地勘报告未给土层参数，则使用程序默认）

地下水位标高（探孔水头标高）输入后，不必将地质资料中的重度改为浮容重输入，程序会自动考虑。

▲JCCAD软件进行基础设计，是否一定要输入地质资料？ 不一定

?无桩基础：沉降计算

?有桩基础：单桩刚度、沉降计算

如果在设计桩基础时没有输入地质资料，则需要在桩承台或桩筏计算中人工补充相应信息，对于桩承台基础应注意修改桩长，对于桩筏基础要补充输入单桩的竖向刚度和弯曲刚度。

△桩竖向刚度80000kn/m, 地质资料是基础设计计算的重要依据，可以用人机交互方式或填写数据文件方式输入地质资料有两类。一种是供有桩基础使用的，另一种是供无桩基础（弹性地基筏板）使用。两者的格式相同，不同仅在于有桩基础对每层土要求压缩模量、重度、状态参数、内摩擦角、内聚力五个参数，而无桩基础只要求压缩模量一个参数。

建立*.dz文件主要内容包括以下几点：

(1)每个勘探孔柱状图的土层分布及各土层的物理力学参数，物理力学参数包括土的重Gv(用于沉降计算)、相应压力状态下的压缩模量Es(用于沉降计算)、摩擦角φ(用于沉降及支护结构计算)、内聚力ｃ(用于支护结构计算)及计算桩基承载力的状态参数(对于各种土有不同的含义)。

(2)所有孔点在任意坐标系下的位置坐标，在桩基设计时可通过平移与旋转将勘探孔平面坐标转成建筑底层平面的坐标。

(3)以勘探孔点作为节点顺序编号，将节点连线划分成多个不相重叠的三角形单元，并将三角形单元编号。程序将以这种三角形单元为控制网格，利用形函数插值的方法得到控制网格内部和附近的地质土层分布。

土层参数：压缩模量、重度、摩擦角、粘聚力、状态参数、状态参数含义

桩基础设计应该使用Ez（自重压力~……），天然浅基础应使用Es0.1-Es0.2。

土层布置：土名称、厚度、极限侧摩、极限桩端、压缩模量、重度、摩擦角、粘聚力、状态参数、状态参数含义，标高及图幅（坐标系：相对坐标系，单位米。标高与结构标高相同）

孔点输入：输入孔位：打开坐标，将孔点的大体形状输入即可 修改参数：按照勘查报告中的相关数据输入即可

网格修改、点柱状图、选中可以进行桩基承载力与沉降验算、土剖面图、 画等高线

△混凝土设计等级等参数选择

5、基础设计参数：

室外自然地坪标高：按实际 基础归并系数：0.2 混凝土强度等级： 拉梁承担弯距比例：0

结构重要性系数：按规范，（特别注意单桩承台） 柱插筋连接方式：按默认

《建筑地基基础设计规范》GB50007－20028.2.2、扩展基础的构造，应符合下列要求：……4、混凝土强度等级不应低于C20；……

《建筑地基基础设计规范》GB50007－20028.3.1、……5、柱下条形基础的混凝土强度等级，不应低于C20。……

《建筑地基基础设计规范》GB50007－20028.5.14、……筏形基础的混凝土强度等级不应低于C30。……

《建筑地基基础设计规范》GB50007－20028.5.14、……4、承台混凝土强度等级不应低于C20……

《建筑桩基技术规范》4.2.2、承台混凝土强度等级不宜小于C15，采用二级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20。……《钢筋混凝土承台设计规程》3.5.1、当承台纵向受力钢筋采用一级钢筋时，混凝土强度等级不得低于C15；当承台纵向受力钢筋采用二、三级钢筋时，混凝土强度等级不应低于C20。

根据上面的相关规定，基础一般采用C30混凝土，一般不宜采用高标号的混凝土，因为高标号混凝土容易开裂。

《建筑地基基础设计规范》GB50007－20023.0.4、……5、基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要性系数不应小于1.0。

表2.0.4

安全等级破坏后果结构重要性系数：一级很严重1.1；二级严重1.0；三级不严重0.9

《建筑桩基技术规范》3.3.3、根据桩基损坏造成建筑物的破坏后果（危机人的生命、造成经济损失、产生社会影响）的严重性，桩基础设计时应根据表3.3.3选用适当的安全等级。

表3.3.3建筑桩基安全等级 安全等级破坏后果建筑物类型

一级很严重重要的工业与民用建筑物；对于桩基变形有特殊要求的工业建筑 二级严重一般的工业与民用建筑 三级不严重次要的建筑物

《建筑桩基技术规范》条文说明3.3.3、……对于一级建筑物桩基类型规定为如下两类：

《建筑桩基技术规范》4.1.1、……——建筑桩基重要性系数，按表3.3.3确定安全等级，对于一、二、三级分别取；对于柱下单桩提高一级考虑；对于柱下单桩的一级建筑桩基取；……

《钢筋混凝土承台设计规程》3.2.2、要求同桩基规范。

一层上部结构荷载作用点标高：即承台或基础顶标高，先进行估算，计算完成后进行修改。该参数主要是用于求出基底剪力对基础底面产生的附加弯矩作用。在填写该参数时，应输入PMCAD中确定的柱底标高，即柱根部的位置。注意：该参数只对柱下独基和桩承台基础有影响，对其他基础没有影响。

二、上部荷载组合的合理选取 △地基设计等级

▲关于荷载的问题：PM恒+活、砖混荷载、TAT、SATWE,PMSAP荷载 ?砖混墙下条基：PM恒+活、砖混荷载 ?其余类型：TAT,SATWE,PMSAP荷载。 ?初设计：PM恒+活

?独立式基础：如柱下独基和桩承台，在设计时弯矩对计算结构的影响很大，不应该被忽略，采用PM恒+活计算结果可能偏小。（独立基础一定不要用PM恒+活，可能弯矩起控制作用，尤其是工业厂房）

▲PM荷载和砖混荷载的区别：附加荷载

1.PM恒+活有节点荷载,砖混荷载无节点荷载,其节点荷载被均布到墙上.

2.当砖墙上有集中力时,砖混荷载无论集中力下有无构造柱,该集中力是均布到墙上的。 而PM恒+活则不同：a.墙段中有主梁传来的节点力时，节点力是直接传到基础；b.集中力直接作用在墙上时，集中力均摊成墙段上的均布线荷载。

3.在砖混荷载中,同一轴线上的连续墙体荷载是相同的,PM恒+活一般是不同的。存在楼层数不同，同一轴线上荷载相差较大时最好读取PM恒+活。

（注：如果柱周围没有墙与之相连，则其所在节点的荷载就会丢失）

（砖混结构墙下条基，当同一轴线上的荷载分布均匀时可以选用砖混荷载；当存在楼层高度不同，立面位置有突变，传到基础的荷载分布不均匀时，应该采用PM恒+活）

▲关于上部特殊荷载

在SATWE、TAT、PMSAP计算的人防荷载、温度荷载、吊车荷载、特殊风荷载，目前JCCAD软件未读取。

PK和STS输入计算的吊车荷载，JCCAD软件可以考虑。 ▲关于人防荷载

▲关于传到基础的活荷载折减

在SATWE软件中对柱、墙和基础的活荷载折减值只传到该软件中的底层最大组合内力，并没有传给JCCAD基础软件。

JCCAD软件在读取SATWE荷载时只读取内力标准值，然后由软件自行进行组合。

▲在JCCAD软件中如何考虑活荷载折减

如果设计人员希望按照规范的要求考虑柱、墙和基础的活荷载折减，则需要在JCCAD软件的【荷载参数】中人为输入活荷载折减系数，如图2-1：

（PM折减系数：算两次 第一次折减 计算梁 ； 第二次不折减 计算竖向构件）（基础设

计应考虑地震效应组合。）

当上部结构为MIDAS、ETABS等软件设计，而基础采用JCCAD设计时柱或剪力墙底内力的合理输入

首先需要在PMCAD中输入首层平面轴网和构件。 ▲附加荷载

附加荷载只能输入恒载和活载（内力标准值）。可作为一组独立的荷载工况进行基础计算或验算。若读取了上部结构荷载，附加荷载先要与上部结构各组荷叠加，再进行基础计算。框架结构的填充墙或设备重应按附加点荷载输入到相应的柱节点上。

▲荷载编辑

荷载编辑能编辑输入恒载和活载，风荷载和地震力的内力标准值，编辑后的各标准值，程序会根据计算要求乘以相应的组合系数

▲组合内力：

JCCAD中的桩筏及筏板有限元中，读取荷载后计算退出，程序会生成有限元计算的组合内力文件LOAD.ZF。用写字板编辑LOAD.ZF文件，可以按照各种组合值对应的修改输入，再直接进入有限元计算。

SATWE和TAT软件中“底层柱墙最大组合内力”里的值是设计值还是标准值？可否作为基础设计依据？

SATWE和TAT软件中“底层柱墙最大组合内力”’里的值是设计值，不可以作为基础设计依据。

这主要是因为虽然某种内力为最大值，但由此而产生的其它内力有可能很小。比如说最大轴力所对应的弯矩和剪力值有可能很小，由这种组合所计算出来的基础并不一定是最不利组合计算出来的。而次大轴力所对应的弯矩和剪力值有可能很大，由这种组合所计算出来的基础有可能是最不利组合计算出来的。

三、讲述关于地基承载力的计算

△地基承载力修正系数

▲关于地基承载力计算的相关规范 1、《地基规范》的要求

根据《地基规范》第5.2.4条的规定：当基础宽度大于3m或埋置深度深度大于0.5m时,从载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：

2、《抗震规范》的要求

根据《抗震规范》第4.2.2条的规定：天然地基基础抗震验算时，应采用地震作用效应标准组合，且地基抗震承载力应取地基承载力特征值乘以地基抗震承载力调整系数计算。

地基承载力应按下式计算：

▲独立基础的地基承载力计算

以本工程4号节点所对应的独立柱基为例，该柱 【地基承载力计算参数】对话框填写如图4-2下：

JCCAD软件计算结果如下：

将上述该柱所填写的参数代入到《建筑地基基础设计规范》 第5.2.4条的计算公式中：

经查得该柱所对应的控制工况号为442，在JC0.O?T的荷载组合公式中所对应的荷载组合为：

442号工况是包含“地震组合”的工况，因此需按《建筑抗震设计规范》第4.2.2条进行调整。

查《建筑抗震设计规范》表4.2.3，得

▲筏板基础的地基承载力校核

某工程为剪力墙结构，基础采用筏板基础，筏板1.3m，底标高为-6.3m，持力层为碎石土，其基础平面图如图3-3所示。

核对该筏基的地基承载力的基本操作如下： 1.输入【基本参数】

△框架结构的填充墙荷载处理的正确方法：

框架结构的填充墙其荷载应该按照“附加点荷载”输入到拉梁两端基础所在的节点上。附加点荷载先要与上部结构各组荷载叠加，再进行基础计算。

注意：填充墙下设置拉梁，不要将均布荷载输入到网格上，否则会自动生成形成墙下条形基础，另外填充墙荷载不能分配到独基上，造成柱下独基不安全。

▲“一层上部结构荷载作用点标高”

该参数主要是用于求出基底剪力对基础底面产生的附加弯矩作用。因为在基础设计前，程序也不知道基础高度是多少，需要设计人员事先给出剪力值所在的位置。

在填写该参数时，应输入PMCAD中确定的柱底标高，即柱根部的位置。 注意：该参数只对柱下独基和桩承台基础有影响，对其他基础没有影响。

△附加荷载：（如无拉梁层需加首层填充墙的荷载） 该菜单作用是布置、删除用户自己定义的节点荷载与线荷载。附加荷载可作为一组独立的荷载工况进行基础计算或验算。如还输入了上部结构荷载，附加荷载先要与上部结构各组荷载叠加，然后进行基础计算。一般来说框架结构的填充墙或设备重应按附加荷载输入。

对于独立基础（独立桩基承台）来说，如果在独基上架设连梁，连梁上有填充墙，则应将填充墙的荷载在此菜单中作为节点荷载输入，而不要作为均布荷载输入。否则将会形成墙下条形基础，或丢失荷载。

△关于拉梁的设计和附加

（方法1：建两个模型：A、将柱嵌固在基础顶；B、多建一层拉梁层，参数设为1层地下室，约束刚度比为1，楼板厚度输0，恒、活载为0，填充墙荷载作为线荷载作用于拉梁上柱子应取两模型计算结果的大值）

（第二种方法：取拉梁所拉结的柱子中轴力最大者的1/10为拉梁的轴拉（压）力，按轴心受拉（压）构件设计，柱基础宜按偏心受压考虑。当以拉梁平衡柱底不平衡弯矩时，框架抗震等级为一、二级时，柱底弯矩组合设计值应乘以1.5，1.25的增大系数，JCCAD没有考虑。※多层框架基础设计可以不考虑抗震）

（※并不是所有的单独基础设计都需要设置拉梁，而应该有一定的灵活性。例如铰接和刚接应该有所区别，建筑物底层层高较高与较低也宜有所区别。

? 一般当框架层数不超过三层，基础埋深较浅，各基础埋置深度差别不大，地基土主要受力层范围内不存在软弱土层，可以不设置基础拉梁;

? 对于大型公建如体育馆等宜另考虑;

? 单层工业厂房一般可以不设置，原因是首先单层厂房一般采用铰接排架，层高又较高，适应不均匀变形的能力要比民用建筑好；其次此类结构柱距较大没有必要设置拉梁。拉梁截面尺寸如果高度取(1/12～1/20) L，宽度取(1/20～1/35)L（注：L为柱中心距），则截面过大，与结构实际受力不太相符；如果取得过小起不到增加整体性作用。）

△拉梁层如果设计的话：拉梁可以作为一层进行整体设计，但是注意《抗震规范》6.2.3条规定：一、二、三级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.5、1.25 和1.15。底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。注：底层指无地下室的基础以上或地下室以上的首层。如果采用SATWE计算时不定义地下室层数1，则柱底弯矩设计值增大系数只是在拉梁层，会造成安全隐患。

? 整体设计时拉梁计算已经考虑弯矩平衡问题，因此在JCCAD程序中将【基础参数】菜单中的“拉梁承担弯矩比例”参数输入0，如图7。

▲能否将拉梁及其以下框架部分作为一个结构标准层进行设计

从软件的角度上讲，可以这样进行设计。具体操作时在PMCAD“人机交互建模中”多建一个标准层即可。

从设计的角度上讲，这种设计方法会使拉梁下的砼柱有可能变成短柱，但由于该砼柱主要位于地下，地震力的影响很小，因此一般情况下不会有什么大问题。

?讲述柱底标高不等高时，柱下独立基础的合理设计相关参数应区别对待 ?覆土压强：

?用于地基承载力修正的基础埋置深度： ?首层基础底标高：

?一层上部荷载作用点标高：

JCCAD的独基条基基础验算菜单中只有验算基础的底面积或配筋不够时才会加大基础的相应数据。如果验算时基础所需尺寸配配筋小于原有基础的数据时，原有的基础尺寸不改变。

处理方法：先点取“基础布置”菜单中“柱下独基”或“墙下条基”子菜单下的“独基删除”或“条基删除”菜单清除原有基础，然后再点取“自动生成”菜单，这样重新布置就可以使基础尺寸更加合理。

?双柱联合基础的设计 ?冲切计算 ?柱间的暗梁 ?多柱基础的形心

?基础局部承压计算

?按照《地基规范》8.2.7-4规定：当扩展基础的混凝土强度?等级小于柱的混凝土强度等级时，尙应验算柱下扩展基础顶?面的局部受压承载力。

?可进行柱对独立基础，桩承台，基础梁以及桩对承台的局部?承压计算。按照《砼规范》GB50010－2002中7.8.1和7.8.2?的方法算出局部承压安全系数，即抗力与基本组合中Nmax的?比值。抗局部承压力的公式如下：

?柱下独立基础加防水板的合理设计 ?1.输入方法 ?2.计算处理

▲根据《地基规范》第8.2.7条第1款的规定:墙下条形基础相交处，不应重复计入基础面积

按照规范要求，程序先根据单位长度线荷载计算出基础宽度，并以此计算出条基的计算面积。再根据相邻基础的情况，计算出每段条基的实际面积。根据计算面积与实际面积的比值调整基础宽度，并得到新的条基实际面积。反复调整直到计算面积与实际面积相一致为止。

2、墙下条形基础

（根据地基规范第8.2.7条第1款的规定：墙下条形基础相交处，不应重复计入基础面积。条形基础设计主要为确定每段墙下条基宽度，和钢筋砼条基的内力计算。在宽度计算时，程序会计算相邻基础对每一段条基的影响，并据此放大条基宽度以满足规范不重复计入基础面积的要求。

程序先根据单位长度线荷载计算出基础宽度，并以此计算出条基的计算面积。再根据相邻基础的情况，计算出每段条基的实际面积。根据计算面积与实际面积的比值调整基础宽度，并得到新的条基实际面积。反复调整直到计算面积与实际面积一致为止。）

▲砖混结构构造柱基础的计算

砖混结构一般都做墙下条形基础，构造柱下一般不单独做独立基础。有的时候设计人员会发现JCCAD软件在构造柱下生成了独立基础。这主要是因为读取了PM恒+活所致。这种荷载组合方式没有将构造柱上的集中荷载平摊到周边的墙上。设计人员可以在荷载编辑中删除构造柱上的集中荷载，并在附加荷载中在周边的墙上相应增加线荷载值。也可以在“荷载输入”中点取“无基础柱”，由程序自动将集中力分配到周边墙上。或者直接读取砖混荷载，因为砖混荷载自动将构造柱上的集中荷载平摊到周边的墙上了。

对于砖混结构中的框架柱，一般宜做柱下独基比较合适。

?双墙基础计算 1.能自动计算的 2.需要补充的内容

?素混凝土基础抗剪计算

《地基基础规范》第8.1.2注4规定：当基础底面平均压力值超过300kPa第混凝土基础，应进行抗剪验算。

公式如下：

4、地基梁（柱下条形基础）

▲考虑基础及上部结构刚度的沉降计算 4、地基梁（柱下条形基础）、地基梁（柱下条形基础）原弹性地基梁基础沉降计算有两种方法，一种是假定基础完全柔性，另一种是假定基础为刚性，但实际上基础及上部结构有一定刚度，但不是完全刚性。对于高层与群房共存时，采用刚性假定是不合适的，采用柔性假定时由于高层与群房部位的附加荷载还须用户进行调整，使用不方便。因此弹性地基梁板的沉降计算又增加了一种新的方法，这种方法考虑到基础及上部结构刚度及荷载分布不同的影响和地质条件及地基土体之间的相互作用的影响。该方法的原理是利用刚性假定或柔性假定方法计算出来沉降值与反力值，反算出地基刚度值，将该刚度值替代弹性地基梁计算中的基床反力系数。这样就可以求出上部荷载、筏板基础和地基三者协同工作时的沉降分布情况。

（剪力墙的条形基础采用基础梁（柱下条基），输入并按弹性地基梁计算比较好。） ▲弹性地基梁结构计算模式选择

?模式1是指进行弹性地基梁结构计算时不考虑上部结构刚度影响，该方法是最常用的，一般推荐使用，只有当该方法计算截面不够且不宜扩大时再考虑其他计算模式。

?模式2是指进行弹性地基结构计算时可考虑一定等代刚度的影响，上部结构刚度的大小可根据具体情况输入一个地基刚度倍数即可。

?模式3是指进行弹性地基结构计算时将等代上部结构刚度考虑得非常大，以致于各节点的位移差很小（不包括整体倾斜时的位移差），此时几乎不存在整体弯距，只有局部弯距，其结果类似于传统方法，一般来说，如果跨度相差不大，考虑上部结构刚度后，各梁的弯距相差不太大，配筋更加均匀了。

?模式4是SATWE或TAT计算的上部结构刚度用子结构方法凝聚到基础上，该方法最接近实际情况，用于框架结构非常理想，SATWE刚度同样适用于剪力墙结构，但TAT该模式不太适用于剪力墙结构，因为TAT的墙体简化为薄璧柱，其刚度只能凝聚到距形心最近的一个节点上，

当墙休较大，较复杂时就有可能造成刚度分布不正常，影响计算结果。使用模式4的条件是必须在计算SATWE或TAT选择把“刚度传给基础”项，如两种数据都存在时，优先使用SATWE刚度（TAT和SATWE刚度数据文件名为TATFDK.TAT和SATFDK.SAT）。

?模式5是采用传统的倒楼盖方法，梁单元取用了考虑剪切变形的普通梁单元刚度矩陈，一般不推荐使用该方法，其结果明显不同于弹性地基梁方法。

▲详细介绍采用梁元法计算弹性地基梁板式基础抗剪不够如何调整 工程实例

某工程为框剪结构，共20层（含1层地下室），基础埋深5.5米，基床反力系数K取20000Kn/m3，采用梁式筏板基础。在初步设计时，筏板厚500mm，并挑出基础外端1000mm；地基梁分别采用600*1000mm和600*800mm两种类型。其中600*1000mm的地基梁主要布置在结构的横向和C轴，其余部分布置600*800mm的地基梁。其基础平面布置图如图7-1所示：

经JCCAD软件的“梁元法”计算后,其地基梁箍筋面积计算结果如图7-2所示：

从图7-2中可以看出，本工程地基梁在很多部位出现抗剪不够，其超筋部位主要有以下几个地方：

（1）外围弹性地基梁纵、横向突出处

（2）剪力墙核心筒部位

（3）纵、横向地基梁相交形成的短梁

通过对上述弹性地基梁箍筋超筋所出现的地方做进一步分析我们得知，对于第（1）和第（2）处，其抗剪超筋的主要原因是由于边角效应产生的应力集中引起的。

在JCCAD软件中，当采用梁元法计算梁式筏板基础时，地基梁的计算是按照带翼缘的T形梁计算的，梁翼缘宽度确定的原则是按各房间面积除以周长，将其加到梁一侧，另一侧再由那边相应的房间确定，最后两侧宽度叠加得到梁的总翼缘宽度。而筏板的计算仅仅是按四边嵌固的楼盖方式计算它的内力和配筋，不考虑板与梁整体弯曲的作用。因此实际上梁元法是按照倒T型梁来计算梁板式基础的。

弹性地基梁的计算实际上采用的是空间交叉梁系的方法。各水平构件的内力通过交叉点处的变形和各段梁的刚度进行分配。因此对于在弹性地基梁布置时所形成的边角部位，尤其是L型位置，由于上部结构在L型角部产生很大的荷载，该荷载值所产生较大的内力只有两根梁参与分配，而且此内力值又很难扩散出去，就很容易使这两根梁抗剪超筋。为此，可以通过增设地基梁的方法，这样不仅使更多的梁参与内力分配，而且还可以让交叉点处的内力值通过增设的地基梁很好地扩散出去。

现对原方案做如下调整：

（1）将弹性地基梁向基础外悬挑1米至筏板边缘；

（2）将剪力墙核心筒下所围成的口字形地基梁向周边延伸，形成井字形地基梁；

（3）将C轴处布置的600*1000mm的地基梁截面改为600*800mm，以达到降低短梁刚度的目的。

调整后，本工程调整后的地基方案如图7-4

本工程调整后的地基梁箍筋面积计算结果如图7-5

如图7-3c所示超短梁和较短梁在方案调整前和调整后，其剪力设计值计算结果如表7-1所示：

表7-1超短梁和较短梁在方案调整前后的剪力设计值

结论

通过对以上计算结果的分析,可以得出以下结论：

（1）经过方案调整后，原来由于边角效应引起的弹性地基梁抗剪超筋的现象已经消失； （2）调整C轴处地基梁的截面后，超短梁和较短梁的线刚度虽然都有所下降，但由于超短梁跨度很小（只有300mm），其线刚度下降的幅度相对于其它梁而言比较慢，因此剪力设计值略有上升；而较短梁的跨度为900mm，其线刚度下降的幅度比较快，其所分担的剪力设计值也就减小很多，由抗剪超筋梁变成了非超筋梁。

以上说明，上述方案调整的方法是非常有效的，对改善本工程某些地基梁剪力过大导致箍筋超筋的现象起到了很好的效果。(考虑上部结构刚度）

地基梁翼沿宽度的合理调整

工程实例

该工程为一支架，基础布置如图一。初始设计时将梁截面尺寸“梁肋宽*梁高*翼沿宽”根据荷载大小，分别取“700*600*2000，700*800*3400，600*1000*1800”。

JC人机交互退出时，提示“是否显示地基承载力验算结果”，选择“显示”（图8-2）。

程序在命令提示区输出“是否由程序自动调整梁翼沿宽度”菜单，有“地基梁修正后平均承载力:280kN/m*m;底板平均反力(含基础自重):160kN/m*m”（图8-3），将“预期承载力与反力比值”输入为1.2，后点“修改”，程序回自动根据比值自动调整梁翼沿宽度(图8-4)。

程序会自动根据比值自动调整梁翼沿宽度，输出“地基梁修正后平均承载力:280kN/m*m;底

板平均反力(含基础自重):234kN/m*m”，(图8-5)。

退出“人机交互”后到“弹性地基梁结构计算”，计算后查看结果文件JCJS.O?T，能输出调整后翼缘宽,如图8-6。

后面画地基梁施工图也直接读取了修改后的翼缘宽度尺寸，图8-7。

?关于梁元法中“节点下底面积重复修正”的实际应用

?按程序计算的修正系数进行了底面积重复利用修正其计算结果偏于安全， ?在实际应用中如何使用底面积重复利用修正系数 ?关于设缝处双梁联合基础的设计 1.设置宽梁 2.设置梁式筏板

?条形地基加水板的设计

?墙下钢筋砼条形基础加防水板的设计

（优点：传力简单、明确，费用低 输入方法：独基/自动生成===筏板/围区生成（注意顶标高、底标高）===桩筏有限元（防水板的基床系数为0）计算处理：作用在防水板上的荷

载有地下水浮力、 防水板自重、其上建筑做法。 在防水板下设一定厚度的易压缩材料（软垫层）如聚苯板、松散焦渣等，这时防水板仅考虑地下水浮力的作用，不考虑地基土反力的作用。）

5、筏板基础

▲筏板基础重心校核，在JC人机交互输入中有两处显示，这两处显示结果有时不一样，用户应该选哪种更合适

产生此种情况的原因主要有以下两种： ?对于梁板式基础，

由于有些轴线上没有布置梁或板带，则在人机交互退出时造成荷载导算丢失，输出的“重心校核”值小，而在“筏板重心校核”中正常。

?地下水的影响

“筏板重心校核”中的基底反力未考虑 “基础人机交互”退出时基底反力考虑

▲柱/桩对筏板的冲切计算

对于桩筏基础，程序目前可以在“基础人机交互”中进行柱对筏板的冲切计算，如果计算结果不满足要求，则可以在“上部构件”中定义柱墩。需要说明的是，目前程序可以考虑柱墩对筏板的冲切计算，但不能考虑柱对柱墩的冲切计算。但程序给出了刚性角，如果布置的柱墩满足刚性角要求，则可以不算冲切。程序在“桩筏筏板有限元计算”的后处理中输出了桩对筏板的冲切力图，若冲切不满足要求则程序显示出相应的桩位和应达到的板厚。

▲重心校核：

《地基规范》第8.4.2条规定:筏形基础的平面尺寸，在地基土比较均匀的条件下，基底平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。当不能重合时，在荷载效应准永久组合下，偏心距e宜符合下式要求：

▲梁元法与板元法计算同一基础，为什么结果差异很大

某工程采用梁式筏板基础，基础布置如图6-1，基床反力系数均取20000KN/m3，计算结果如图6-2。

工程实例

通过图6-2所示的结果可知，两种计算模式所产生的计算结果存在一定的差异。这主要是由于两种计算模型的假定不同。这二者之间的差异主要表现在：

▲梁的计算：

梁元法计算梁式筏板基础时，地基梁的计算是按照带翼缘的T形梁计算的，梁翼缘宽度确定的原则是按各房间面积除以周长，将其加到梁一侧，另一侧再由那边相应的房间确定，最后两侧宽度叠加得到梁的总翼缘宽度。

板元法计算梁式筏板基础时，地基梁的计算仅按照矩形梁计算，没有按照T形梁计算。 ▲板的计算：

梁元法计算筏板时，板是按四边嵌固的楼盖方式计算它的内力和配筋，不考虑板与梁整体弯曲的作用。

板元法计算筏板时，采用有限元的方法对楼板进行内力计算，能够考虑板与梁整体弯曲作用的影响。

（受力以梁主，用梁元法计算（基础偏柔）；受力以板为主，用板元法计算。）

▲地基反力的计算

a.采用地基梁计算得出的周边节点平均弹性地基净反力 b.采用交互输入显示的板底平均净反力 梁元法:a或b 板元法:b

▲基床反力系数

梁元法计算时采用在【梁板参数】中输入的值，程序初始值为20000

板元法是采用：

“板底土反力基床系数建议（kN/m3）”=“总面荷载值（准永久值）”/“平均沉降S1（m）” ▲砼弹性模量折减系数 梁元法程序直接取0.7

板元法在【模型参数】中可以定义输入，程序初始值为1

?关于梁板式筏基的冲切抗剪计算

1.《地基基础规范》第8.4.5：梁板式筏基底板除计算正截面受弯承载力外，其厚度尙应满足受冲切承载力、受剪切承载力的要求。

2.具体实现

?关于梁板式筏基底柱下基础梁顶面的局部受压承载力的验算 ?关于抗浮验算和水浮力的计算

（提供用于计算地下水浮力的设计水位。 1.0恒+1.0浮；1.0恒+1.4浮）

基础宜埋置在地下水位以上，如必须在以下时，应采取地基土在施工时不受扰动的措施。

?平板式筏形基础的内筒冲剪

? （规范的相关规定

? 设计中应该注意的问题：选内筒/输悬挑宽度

? 筏板布置时，多块尽量不交叠，尽量错开，大板包小板，斜角的要添加轴线后再布置筏板关于柱墩与变厚度筏板的区别：JCCAD在进行带“柱墩”筏板的设计计算时，只考虑“柱墩”对柱根部的抗冲切作用，不考虑其刚度贡献。规范中变厚度筏板区域要进行抗冲切计算，软件中未考虑

底平形变厚度筏板基础，一般不宜采用顶平形变厚度筏板基础，如必要时，可采用元宝形变厚度筏板基础。）

?关于平板式筏形基础柱对筏板的冲切计算 ?关于柱墩与变厚度筏板的区别

?平板式筏基底层柱下局部受压承载力的验算

?讲述复杂筏板设计中应该注意的问题（厚度不同，基底标高不等高等）

四、基础变形设计

1.什么叫完全柔性基础

完全柔性基础是指当上部结构刚度可以忽略时，对荷载传递无扩散作用，如同荷载直接作用在地基上，反力分布p（x，y）则与荷载q（x，y）大小相等，方向相反。当荷载均匀时，基础呈盆形沉降，如图9-1所示；如欲使基础沉降均匀，则需使荷载从中部向边缘逐渐增大，呈不均匀状，如图9-2所示。

▲完全柔性基础和完全刚性基础的设计与选择

2.什么叫完全刚性基础

完全刚性基础是指当上部结构刚度足够大时，可以假定基础为绝对刚性。迫使地基均匀沉降。地基反力分布p（x，y）呈现为两边大、中间小，如图9-3。

由于土中塑性区的开展，反力将发生重分布。由于边缘反力大，所以塑性区最先发生在边缘。随着塑性区的出现，边缘反力将减小，并向中部转移，形成马鞍形分布，如图9-3中虚线所示。

完全刚性基础变形时是基础整体倾斜，不存在整体变形（如图9-4），因此不会产生由于整体弯曲而的内力，只会有地基反力引起的内力。

3.如何选择完全柔性基础和完全刚性基础

通过以上分析可以看出，当上部结构为单排厂房、多层框架结构或砖混结构等上部结构刚度比较低，其基础设计采用柱下独立基础、条形基础、弹性地基梁基础或刚度较小或刚度不均匀的筏板基础时，可以选择完全柔性基础进行设计。

当上部为剪力墙等刚度比较大的结构，采用梁元法计算筏板基础时，可以选择完全刚性基础进行设计。

▲桩筏筏板有限元计算中，给出四种计算模型，其沉降计算结果相差很大，在实际工程中该如何选择？

1、弹性地基梁板模型

弹性地基梁板模型即文克尔模型，是一种最简单的线弹性模型。其基本假定是地基土边界面上任一点处的沉降W（x，y）与该点所承受的压力强度p（x，y）成正比，而与其它点上的压力无关，其计算公式为：

根据文克尔模型，地基的沉降只发生在基底范围内，其范围以外的沉降是不考虑的。这与实际情况不符。众所周知，土体是一种连续的介质，在某一点的沉降必然会对其它点产生影响。产生这种情况的主要原因是因为地基中剪应力的存在，使地基中的附加应力向旁边扩散，显然文克尔模型没有考虑地基中剪应力的影响。

2、倒楼盖模型

倒楼盖模型假定结构上部刚度无穷大，地基反力均匀布置在基础底面。在内力计算时不考虑基础整体弯曲所产生的影响，而只按照倒楼盖的方式进行基础设计。

这种方式计算方法简单，易于手算。

3、单向压缩分层总和法—弹性解：Mindlin应力公式及弹性解修正*0.5ln(D/Sa) （1）弹性半空间地基模型

为了弥补文克尔模型的缺点，有学者提出了弹性半空间地基模型。其基本假定是将地基看成是均质的、各向同性的弹性半无限体，按照弹性力学中关于弹性半空间体模型的方法分析地基上压力与变形之间的关系。

与文克尔地基上的梁不同，由于弹性半空间模型的连续性，地基上的梁和地基本身可能处于三种不同的应力应变状态，从而区分为平面应力问题、平面应变问题和空间问题。因此其计算方法和理论比文克尔模型要复杂得多。

明德林则给出了竖向集中力P和水平向集中力Qx与Qy作用于半空间内D深度时，任意点M（x，y，z）处的位移和应力解。

弹性半空间地基模型考虑到基底各点的沉降不仅与该点的压力有关，还与其它各点有关，因而比文克尔地基模型进了一步。

但是由于地基土本身并不是理想的、均质的、各向同性的弹性半空间体。地基压缩层的厚度也是有限的，因而导致这种地基模型的应力扩散能力往往超过

地基的实际情况。

实践表明，按弹性半空间地基模型计算结果，基础的位移和内力一般都偏大。

（2）修正的Mindlin应力公式

如上所述，按照弹性半空间地基模型中的Mindlin应力公式计算出来的基础沉降和内力往往偏大，有的时候直接用于基础设计时会产生较大误差，因此，JCCAD软件在明德林应力公式的计算基础上对其进行修正，其修正系数为0.5ln(D/Sa)。其中D为集中力作用点离基准点的距离；Sa为集中力作用点离计算点的距离（如图9-5）。

（3）单向压缩分层总和法

单向压缩分层总和法也可以称为分层地基模型。众所周知，地基土是分层的，每层土的压缩模量和厚度都有可能不同。该方法主要考虑了土的压缩特性以及地基的有限压缩层深度的影响，在土体的附加应力计算时采用弹性力学的方法计算，而地基的变形计算时则采用土力学中的分层总和法，使计算结果更符合实际。其计算方法为：

分层地基模型的计算结果更符合实际，因而在工程中得到了广泛的应用。

（4）JCCAD软件的做法

当设计人员在JCCAD软件中选择方法3或方法4计算基础沉降时，程序则采用弹性半空间地基模型中的Mindlin应力公式求出基础各深度范围内的应力值，代到分层总和法的计算公式中，同时土的压缩模量取相应土层的值，从而求出基础的最终沉降值。

▲桩筏筏板有限元计算筏板基础时，倒楼盖模型和弹性地基梁板模型计算结果差异很大的原因

这主要是因为二者的性质是截然不同的： （1）弹性地基梁板模型采用的是文克尔假定，地基梁内力的大小受地基土弹簧刚度的影响，而倒楼盖模型中的梁只是普通砼梁，其内力的大小只与筏板传递给它的荷载有关，而与地基土弹簧刚度无关。

（2）由于模型的不同，实际梁受到的反力也不同，弹性地基梁板模型支座反力大，跨中反力小。而倒楼盖模型中的反力只是均布线载。

（3）弹性地基梁板模型考虑了整体弯曲变形的影响，而倒楼盖模型的底板只是一块刚性板，不受整体弯曲变形的影响。

（4）由于倒楼盖模型的底板只是一块刚性板，因此各点的反力均相同，由此计算得到的梁端剪力无法与柱子的荷载相平衡，而弹性地基梁板模型计算出来的梁端剪力与柱子的荷载是相

平衡的。

▲地基模型的选择

地基计算模型，大致可分为不连续模型和连续性模型两大类。在基础设计时，如何选择相应的地基模型则是一个比较复杂的问题，很难给出一个统一的标准。在此，本人仅就上述地基计算模型的力学特点和适用范围做一些简单的介绍。

1.文克尔地基模型的受力特点和适用范围

文克尔地基模型实质上来源于阿基米德浮力定律的一个推论，比如浮桥结构是严格执行文克尔地基模型的。显然，力学性质与液体相近的地基，比较符合文克尔模型假定。

因此，该模型主要用于抗剪强度极低的流态淤泥质土或地基土塑性区开展比较大的基础。另外，当厚度不超过基底短边之半的薄压缩层地基，因压力比较大，剪应力比较小，所以也比较符合文克尔模型假定。

从地基土的分类角度上讲，地基土可粗略地分为非粘性土和粘性土。一般地说，当基础位于非粘性土上时，采用文克尔地基模型还是比较合适的。特别是当基础比较软的情况。

文克尔地基模型的另一个主要特点就是模型简单，适合手算。因此，当上层建筑为框架结构，填充墙比较少，结构整体刚度比较小，基础虽然采用筏基，但筏板的刚度也不是很大时，若基础位于非粘性土上，也可以采用文克尔地基模型。

2.弹性半空间地基模型受力特点和适用范围

如前所述，弹性半空间地基模型总是假定地基土是均质的、各向同性的弹性半无限体。其沉降计算所使用的地基土弹性模量是定值，不随土体性状变化而变化。因此这种方法计算出来的压力泡是连续的。然而实际上，地基土不可能是均质的、各向同性的弹性半无限体。其弹性模量也不会是一个值，因此，在竖向荷载作用下的压力泡不会是连续的。所以，弹性半空间地基模型的计算结果也仅是一个近似解。

由于弹性半空间地基模型是一种能够考虑非线性影响的连续性模型，所以从理论上讲，可以适用于各种地基土类型。但由于从数学上讲此种地基模型求解困难，因此目前只能用于基础体量比较小的结构。如果基础体量比较大，采用此方法求解不出来时，则仍需采用弹性地基梁板模型。

3.倒楼盖模型的选择

当地基比较均匀，上部结构刚度比较好，梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏板的厚跨比不小于1/6，且柱荷载及柱间距的变化不超过20%时，筏板基础可仅考虑局部弯曲的影响，按倒楼盖模型计算。

带裙房的高层建筑的基础设计

▲主楼带裙房结构布置筏板基础的受力特点

现就工程算例介绍一下此种结构形式采用筏板基础的受力特点。

此算例的主楼和裙房均为框架结构。裙房为两层；主楼层数均从裙房顶面算起，并位于结构中部。X、Y方向的柱网尺寸均为8*8m，其裙房平面图和主楼标准层平面图如图12-1和12-2所示；基础统一采用2米板厚；在计算时考虑上部结构刚度对基础的影响。

现分别取主楼16层和24层，其沉降和基底反力计算结果如下：

从图12-3、12-4中，我们可以得到如下结论： 1、当采用筏板基础进行整体分析时，结构的沉降曲线在主楼与裙房相交处过度得非常平滑，

并非想象中存在沉降突变；

2、其基底反力图与结构主楼层数有关，若结构主楼层数较低，则基底反力在主楼与裙房相交处过度得基本平滑。若结构主楼层数较高，则基底反力在主楼与裙房相交处出现较大波动。这说明主楼的荷载没有得到有效的扩散；

3、在主楼范围内，基底反力比较均匀，这主要是因为考虑上部结构刚度对基础的影响后，由于主楼的刚度很大，在主楼下基本没有整体弯曲，只有局部弯曲。而在局部弯曲作用下，由于筏板受到上部结构刚度的影响而加大，从而使基础内力重分布。

▲如何确定主楼荷载对裙房的影响范围

从裙房顶部引45度线至裙房底部所包含的范围。例如上例中，假设裙房每层层高4200mm，则主楼荷载对裙房的影响范围为8400mm，基本上在一跨左右。

从图12-4也可以看出，在主楼与裙房之间的第一跨范围内，当主楼层数为16层时，基底反力与主楼范围内的相比相差不大，当主楼层数为24层时，基底反力则产生了较大的波动。

比较准确地确定主楼荷载对裙房的影响范围，有利于设计人员确定施工后浇带的位置。一般情况下，尽量布置在主楼外延一跨范围外是比较合理的。

《基础规范》8.4.5-2条：当高层建筑与相连的裙房之间不设置沉降缝时，宜在裙房一侧设置后浇带，后浇带的位置宜设在距主楼边柱的第二跨内。后浇带混泥土宜根据实测沉降值并计算后期沉降差能满足设计要求后方可进行浇筑。

?高层建筑筏形基础与裙房基础的设计

如何确定主楼荷载对裙房的影响范围的方法：应力扩散 计算沉降差异的主要方法： 后浇带的设计：

0 不设 主楼与裙房整体设计

1 永久设 主楼与裙房之间设置永久沉降缝 0.5 完成一半 主楼与裙房之间设置施工后浇带

后浇带一般情况下尽量布置在主楼外延一跨范围外是比较合理的。

太薄的筏板将导致上部结构内力显著的重分布，引起很大的次生应力。筏板厚度的变化只对结构底部几层的内力有显著的影响。 筏板厚度并非越厚越好（李湛博士论文）

▲用JCCAD软件计算沉降差异

解决主楼与裙房之间的沉降差异，主要有三种方式，分别是在主楼与裙房之间设置永久沉降缝；在主楼与裙房之间设置施工后浇带；主楼与裙房基础进行整体设计。现分别介绍如下：

1、主楼与裙房之间设置永久沉降缝

当主楼与裙房之间的沉降差异较大，用其它方法不能平衡这种差异时，才需要考虑在二者之间设置永久沉降缝。

在JCCAD软件的桩筏筏板有限元计算中，设计人员将“模型参数”中“如设后浇带，浇后浇带的荷载系数”选项填为1，并在“筏板布置”中布置后浇带，再进行计算后，程序在板的沉降图中所显示的值可以看作是设置永久沉降缝后基础的沉降值。

2、主楼与裙房之间设置施工后浇带 （1）JCCAD软件设置后浇带的操作步骤

在主楼与裙房之间设置施工后浇带来解决沉降差异问题，是目前工程界最常用的方法。新

版的JCCAD软件在“桩筏筏板有限元计算”菜单中增加了设置后浇带的功能。具体操作过程为：

在“模型参数”中填写“如设后浇带，浇后浇带的荷载系数”参数（如图12-5所示）：

该参数的本质是要求设计人员预计在主体结构完成以后，浇铸后浇带前，结构荷载加载了多少？体现在沉降上，实际上就是沉降在浇铸后浇带前完成了多少？因此，建议设计人员可以根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）（以下简称《地基规范》）第5.3.3条第2款的建议值，即一般多层建筑在施工完成的沉降量，对砂土可以认为其最终沉降量已完成80%以上，对于其它低压缩性土可以认为其已完成最终沉降量的50%~80%，对于中压缩性土可以认为其已完成20%~50%，对于高缩性土可以认为其已完成5%~20%。

同时，根据《地基规范》）第4.2.5条的规定，地基

土的压缩性可按p1为100kPa，p2为200kPa时相对应的压缩系数值a1—2划分为低、中、高压缩性，并应按以下规定进行评价：

当然，众所周知，土的压缩性随着时间的推移是非线性的，有些地区结构的前期沉降大，后期沉降小，有些地区则有可能相反。所以不一定能够完全体现上述规律，这就要求设计人员还应根据具体的工程具体分析。但作为一般工程的沉降估计，上述规律还是可行的。

在“筏板布置”中选择“定义后浇带”，（如图12-6）

（2）如何运用JCCAD软件预估差异沉降？

如何准确地预估主、裙房之间的沉降差异是这种结构形式最困难也是最关键的工作。这不仅仅是仅凭理论计算就能够搞清楚的。它与地区性的常年累月的积累和准确的现场勘测实验密不可分。

采用JCCAD软件预估差异沉降时宜遵循以下步骤：

首先在主楼与裙房之间设置设永久沉降缝，预估二者之间的平均沉降和差异沉降。具体操作步骤是将“模型参数”中的“如设后浇带，浇后浇带的荷载系数”填为1，计算完成后查看基础沉降图，从而得到主楼与裙房之间平均沉降和差异沉降（如图12-7、12-8所示）；

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