钢筋混凝土扩展基础的抗力计算.doc

钢筋混凝土扩展基础的抗力计算、配筋和构造要求等需要协调统一的几个问题关键词： 受弯承载力受剪承载力冲切最小配筋基础承载力 摘 要：针对建筑地基基础设计规范(GB 500072002)和混凝土结构设计规范(GB 5001020o2)中涉及钢筋混凝土扩展基础的抗力计算、配筋和构造要求等需要协调统一的几个问题作了讨论，并提出了改进建议。 Abstract：Discussions and suggestions for improvements on some problems including the resistance calculation，the steel reinforcements,the detailing requirements and etcof the reinforced concrete spread foundation，which were directly involved in“The Code for Design of Building Foundation”(GB500072002)and“The Code for Design of Concrete Structures”(GB500102002)in need of unification and coordination，are put forward in the paper。 0 前言 钢筋混凝土扩展基础的设计方法在混凝土结构设计规范(GB 500102002)和建筑地基基础设计规范(GB 50007 2002)中均作出了规定；而在“规范GB 50007”中，则具体对包括扩展基础在内的各类基础设计作出了具体的规定。钢筋混凝土扩展基础的设计应包括下列内容，即： 1)按单向受剪承载力或(和)受冲切承载力计算，确定无腹筋扩展基础的验算截面有效高度h。；根据环境类别选用与混凝土强度等级相应的混凝土保护层厚度。由此确定截面高度h； 2)按正截面受弯承载力计算，确定独立基础底部 、Y轴两个方向的纵向受力钢筋的截面面积A。 、A 或条形基础的配筋； 3)对扩展基础提出几何尺寸、材料和配筋等的构造要求。上述两本规范对扩展基础设计内容的异同点大致是： 1)受冲切承载力计算。无论是基底反力(作用效应)设计值和受冲切承载力(抗力)设计值的取值，两本规范协调一88 Industrial Construction Vo135，No2，2005致；在底板反力由柱根的弯矩设计值|】If和轴压力设计值产生的条件下，均将受冲切计算简化为类似于单向受剪承载力的计算方法。 2)单向受剪承载力计算。“规范GB 50010”对无腹筋的一般(均布荷载为主)板类受弯构件的受剪承载力抗力设计值公式是新增的内容，“规范GB 50007”同样采纳；但在剪力(作用效应)设计值的取值上，前者取板跨内的最大剪力设计值或支座边缘处的剪力设计值，后者取离支座(或柱)边缘h 处的剪力设计值。 3)构造配筋要求。“规范GB 50010”从一般的构造规定，提出了纵向受力钢筋的最小配筋率以及钢筋间距、直径等要求；而“规范GB 50007”仅提出钢筋间距、直径等要求。 4)耐久性要求。“规范GB 50010”根据设计使用年限的规定，在不同环境类别下对混凝土等结构材料的耐久性提出了基本要求，特别是规定了不同的设计使用年限和环境条件下应采用不同的最低混凝土强度等级；“规范GB 50007”在未指出上述条件下，规定了最低混凝土强度等级。由上可知，将上述两本规范协调一致是十分必要的，为此，写出此文供专家评说。 1 概念分析 11 受剪破坏机理与受剪承载力 钢筋混凝土结构构件的受剪破坏机理可能是混凝土结构中认识最不清楚的问题之一。尽管研究者从构件截面或有限元等多种分析方法，并采用各种适宜的本构模型，用于分析各自的试验对象可获得较满意的结果。但是，用上述方法去校核已发表的众多试验结果，总是存在不完全符合的情况，这里所指的“不符合”主要反映在受剪破坏的试验值与分析方法的计算值不相吻合。 各类分析方法所反映的计算参数只能抓主流的，不能面面俱到，因此不完全符合是可以理解的；同样，由于试验方法、试验材料、试验计量、破坏标志等存在的随机性和系统性误差，导致试验结果的不完全真实也是造成两者不符合的原因，这从试验统计图示中试验数据的离散程度之大可以看出。 配置箍筋或(和)弯起钢筋的钢筋混凝土构件受剪的破坏机理，从工程的宏观概念出发，把它们视作是桁架与拱的组合传力模型，从而为实用的受剪承载力公式由混凝土项抗力与箍筋或(和)弯起钢筋项抗力的线性相加或复合相加组成奠定了基础。但是，对无腹筋的钢筋混凝土构件受剪的破坏机理，能否采用上述组合模型就有疑问，因为它不存在作为受拉腹杆的箍筋、弯起钢筋，尽管有些学者尚在为完善这类模型进行不断的探索。无腹筋受弯构件的受剪破坏常呈斜拉型破坏，斜裂缝一旦出现，即很快形成临界斜裂缝，并迅速伸展至受压边缘，使构件斜拉为两部分而破坏，它属于脆性破坏。破坏的位置不一定与最大剪力的位置同步。鉴于无腹筋受弯构件破坏的特殊性，在未得到满意的破坏模型之前，研究者与工程界着眼于通过试验的统计结果来建立设计用的实用公式或者把它视作经验公式，它借助试验对象所提供的主要参数作为构成经验公式的基础，例如，对分布荷载作用下无腹筋的钢筋混凝土受弯构件，其受剪承载力试验值主要取决于： = F( ，P：，lo，h，A，h0) (1) 式中 、lD： 混凝土抗拉强度(或经换算的)实测值、纵向受拉钢筋实际配筋率； f。，l 构件的跨高比； A 截面面积； l。 截面有效高度。 由于受剪承载力试验值 的确定取决于施加在构件上的均布破坏荷载值及由其产生在某一“指定截面”处相应的破坏剪力值 ，即 = 。均布破坏荷载值的确定涉及构件达到受剪承载力时的破坏标志，照理说，达到该破坏标志的截面(通常是倾斜且倾角是不确定的截面)就应是上述的“指定截面”，一个指定的斜截面上具有可选择的几个破坏剪力值，该取其中的较大值、中间值还是较小值?其次，受弯构件的类型很多，有简支、连续或悬臂等类构件，它们的破坏截面位置将取决于构件的类型、内力(弯矩、剪力)的变化规律、配筋特征等参数。鉴于上述情况，研究者通常将均布破坏荷载作用下的支座反力作为构件的受剪承载力试验值 ，时，不再顾及破坏的“指定截面”位置。取用上述试验值的好处是：它所对应的构件最大剪力值即是支座反力。我国的研究者在分析国内外试验结果时，均是按此原则进行试验数据分析的；我国历年来各次修订的也是按此原则规定剪力设计值的取值的。 应当指出，实现均布加载宜采用水压或气压法，对线性构件难于采用；通常的做法是采用多点集中加载来代替。根据受剪承载力的试验数据按式(1)回归所得的具体公式代表了试验的平均水平。为了结构安全性的考虑，规范提供设计用的公式，其取值要比上述回归公式低得多，通常说所取的是试验结果的偏下值，它具有足够的保证率，以满足设计可靠指标的要求。取值降低了的受剪承载力设计值，通常是通过对材料强度取用设计值、几何参数取用名义值以及经验公式中系数的调整来实现的。这些都可在现行规范中的相关公式中见到。于是，对分布荷载作用下无腹筋的钢筋混凝土受弯构件的一般设计表达式可写为： 式中 受弯构件跨度内的或指定截面的最大剪力设计值； 该跨受弯构件的受剪承载力设计值； 混凝土抗拉强度设计值。 通常，式(1)与式(3)间的差别，除了后者采用材料强度设计值之外，公式中的常数项和系数也因上面提及的可靠度要求而会不同，不过表达形式基本保持一致。 当然，也有主张取离开支座距离c处的剪力设计值 。作为所谓的最大剪力设计值，以及与其相应的受剪承载力设计值 ，它们的确定仍然离不开上述的试验结果及可靠度的考虑，因此，在式(2)基础上给出这种情况的一般设计表达式： 对分布荷载作用下的受弯构件，上述两种剪力设计值之间的关系为： 式中， 为折减系数， ：G(clf。)，对简支或两端为固端的受弯构件，可取 =12clf。当采用式(4)的表达式而又要满足与式(2)的可靠度要求等效，势必就要求受剪承载力设计值也应保持下列关系： 由式(2)式(6)的关系可得出下列结论：在分布荷载作用下的无腹筋受弯构件，其受剪承载力设计表达式在选择不同位置的剪力设计值作为最大剪力设计值时，应相应地选择与其配套的受剪承载力设计值。顺便指出，从逻辑上讲上述结论也可用于分布荷载作用下的有腹筋受弯构件。 12 邻近支座区段可变荷裁的直接传递 在邻近支座区段范围内有分布荷载或集中荷载作用在受弯构件顶部时，荷载按照扩散角将直接以受压方式传递到支座内，它与刚性基础(如无筋扩展基础)的传力机制类同；在混凝土结构设计理论中把它称为“不连续区”或“D区”。对无腹筋受弯构件的设计，我们关心的是如何在已知式(3)中的有关设计参数后，再由式(2)来确定其截面尺寸或h ，这时可不必去细究该支座区段的具体受力状况。但是，对有腹筋受弯构件的设计，则涉及到在该区段内如何配置腹筋的问题。国外有些规范中，对布荷载作用下的钢筋混凝土受弯构件，通常采用类似式(4)的方案，如，美国“规范ACI318”和欧洲规范EC 2中，均取用c=h 处的剪力设计值作为最大设计值。此外，“规范ACI 318”对预应力混凝土构件取c=ho2，对深梁取c=015 Z (Z 为净跨)等；c的不同取值，似乎不是纯机理性而是基于安全性的一种处理手法。对应于离支座距离c的构件截面，均称为临界截面。按临界截面进行计算所需的箍筋用量，将可延伸配至支座处。因为在分布荷载作用下有腹筋受弯构件的受剪破坏位置不一定会在支座附近，没有必要在构件c的长度区段(D区)内按支座边的最大剪力设计值来计算并配置过多的箍筋用量；在“规范GB 50010”第752条要求取支座边缘处截面的剪力设计值。显然是偏于安全的规定。 13 冲切破坏机理与受冲切承载力 有些学者和规范把钢筋混凝土板的冲切破坏视作双向受剪破坏，提出了不同的分析模型，它也同属于认识不太清楚的问题。从试验的角度讲，施加冲切荷载的位置近旁，常常是冲切破坏的位置；除非荷载位置附近钢筋混凝土板得到极大的加强，这时，破坏位置才会转移到近旁较薄弱的部位产生冲切破坏，总之，冲切破坏的位置基本是可确定的。各国规范对受冲切承载力的估计仍依据试验数据并考虑可靠度要求来建立设计用的实用公式。对无腹筋的钢筋混凝土结构构件受冲切承载力的一般设计表达式可写为： 式中， 为集中力(冲切力)设计值；R 为受冲切承载力设计值， 为最不利冲切破坏锥体的平均周长；ID：为两个方向配置钢筋的平均配筋率或等效配筋率，取PP 。关于周长 至少有两种说法：一种如上面对 所述的定义，“规范GB 50010”和“规范ACI 318”属于此类取值，相应于此u 处板的垂直截面称为临界截面；另一种称为临界周长 ，它是指冲切破坏锥体上(沿有效高度位置)最大的周长，欧洲规范Ec 2就是这样定义的。事实上，临界周长与冲切破坏锥体的形状有关。通常的冲切破坏锥体呈喇叭状，而并非为一个截头锥体，因此在选取周长时，各国规范是不同的，例如：美国“规范ACI 318”和我国规范均取45。截头锥体，欧洲“规范EC 2”则取337。截头锥体；在板的有效高度为ho的条件下，前者的水平投影长度为h。，而后者的水平投影长度为15h。总之，不管哪种周长取值，最终要反映在R。的 取值是否符合试验规律和可靠度要求上。因此，不妨把周长的取值视作一种处理手法。 集中力(冲切力)设计值的取值是有讲究的，特别在楼板与基础中，应有所区别。“规范GB 50010”规定：“按柱所承受的轴向力设计值的层间差值减去冲切破坏锥体范围内板所承受的荷载设计值”。从逻辑角度讲，这样取值是合适的；但是也应看到，楼面活荷载取为均布荷载是假定性的，是由建筑结构荷载规范根据等效原则给出的，实际上在冲切破坏锥体范围内不一定有活荷载，因此不减去活荷载设计值属于不利组合，它是稳妥的。但对基础而言，情况有所不同，冲切破坏锥体范围内的板底地基反力以压力传递的形式来平衡柱根传来的部分轴向压力和弯矩，所以“规范GB 50010”和“规范GB 50007”均规定，应扣除这部分反力的条件下进行独立基础的受冲切承载力计算；欧洲“规范EC2”也是这样规定的。美国“规范ACI 318”则规定扣除由l所围的基础底面部分反力，显然，它的扣除量要少于前者。 14 概念分析的结论 1)在分布荷载作用下的钢筋混凝土无腹筋受弯构件的受剪承载力计算中，可取用支座边缘截面的剪力设计值作为设计的依据，只要所提供的受剪承载力设计值是基于试验中获得的支座反力作为统计分析基本依据而给出的。进而言之，“规范C,B50010”所提供的钢筋混凝土无腹筋受弯构件的设计方法，因而对作用效应项和抗力项的规定是匹配的，也是相对合理的。 2)在受冲切承载力计算中，对基础，应在集中力中扣除冲切破坏锥体底面部分的反力：对楼板，从偏于安全考虑，可不扣除冲切破坏锥体范围内的活荷载。 2 扩展基础承载力计算方法的改进 21 正截面承载力计算 “规范GB 50010”第532条规定，允许承受分布荷载的双向矩形板，可采用塑性铰线等塑性极限分析方法进行承载能力极限状态设计。由于塑性铰线法是塑性极限分析的上限解，同一个双向板可选择多种可能的破坏图形，按每一种塑性铰线图形可求得对应的极限荷载值，找到其中最小的极限荷载值所对应的破坏图形，才是实际发生的塑性铰线图形。 “规范GB 50007”第827条提供了确定独立基础底板配筋的两个方向弯矩设计值公式(8274)和公式(8275)，并在图8272中示意了两个方向的验算截面和产生一个方向弯矩的底板反力作用面积。应当说，这是一种破坏图式，但不一定是最不利(极限荷载最小)的破坏图式。由该图可直观判断出，沿两个柱边的两个方向板截面形成的直线形(即单向的)塑性铰线才可能是最不利的，因为就一个方向而言，它构成的底板反力作用面积最大，也即由其产生对柱边塑性铰线处的弯矩最大，要求的配筋也就要多些。按美国“规范ACI 318”编写的美国教材“ 中列举的算例均是按单向计算的；我国的建筑桩基技术规范(JGJ 949)、25时，取f ho=25，f 为基础悬挑长度；。 弯矩受剪传递系数基本值，可按“规范GB50010”的公式(G024)或“规范GB 50007的公式(8473)计算；， 按冲切临界截面计算的类似极惯性矩，可按“规范GB 50010”第G02条计算，也可按“规范GB 50007”附录D计算。 对阶形基础，尚应取变阶处的尺寸作为柱截面尺寸后求得FI-啊，再进行受冲切承载力的验算。 应当指出，公式(11)中引入系数a是基于下列考虑：在刚性板中产生冲切破坏时，其内力的传递为剪切型的；在柔性板中产生冲切破坏时，内力的传递为弯剪型的。为此，近似地采用深受弯构件的界限划分办法，提出了a系数公式。这个问题可以商榷。对基础板的纵向受拉钢筋，其伸出冲切破坏锥体以外的长度宜在f 和h。两者中取较大值，或采取其他有效的锚固方式。 23 扩展基础的受弯、受剪承载力计算 我国设计的扩展基础，习惯于做成较为刚性的基础居多，因此，适当考虑扩展基础悬挑部分的跨高比对受弯、受剪承载力的影响是适宜的。 参照“规范GB 50010”第lO7节对深受弯构件的规定，提出下列方案供讨论： 1)正截面受弯承载力计算 式中，f 为基础悬挑长度：当f h25时，取f h=25；当f h10时，取f h=10。此外，当 O2ho时，取x= 02ho。 2)斜截面单向受剪承载力计算 按式(15)计算独立基础时，b、h 应取两个方向对应的基础宽度(或长度)和相应的截面有效高度。a 是悬挑受弯构件受剪承载力的折减系数，假定当f h=25时，取a =1O；当f h=10时，建议取a ：08，则系数a 可按下式确定： 考虑系数a 是基于深受弯构件通常是简支或连续受弯构件，在垂直荷载下支座反力在构件底部产生的摩擦力对受弯构件起着有利的拱作用效应，在悬挑受弯构件中则是无此有利效应的，故引入此折减系数。 24 避免连续倒塌的配筋验算 在CEBFIP制订的模式规范MC 90中规定，为了减少板一柱连接处局部破坏的偶然事件中发生连续倒塌的危险性，板中在横穿板一柱交界面内的底部钢筋总的截面面积应符合下列规定： Nd_厂A。 (17) 此处，N 应取静力计算或抗震计算的轴向力设计值，并取yRE= 10o 按计算A 配置的钢筋应通过柱的主筋内侧布置；当A。不是利用贯通受力钢筋时，建议该专门钢筋伸出柱截面外的长度宜取(z。+h。)和2 。两者中的较大值。 上述规定已为建筑抗震设计规范(GB 500112002)第669条和高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32002)第823条采用。这种配筋的理念应在底板厚度不大的独立基础中采用，特别是预制钢筋混凝土柱的独立杯口基础。四川德阳发生由于设计错误造成的基础冲切破坏倒塌事故，在正常的设计中也应吸取其中的教训。 3 扩展基础的若干构造要求 应当说，“规范GB 50010”从广义的角度，对各类混凝土结构构件的一般构造要求作了原则性规定，并对有些构件作了具体规定；“规范GB 50007”对包括扩展基础在内的各类基础都作出了具体规定。当然规范之间协调、衔接上也有些欠缺，下面仅就钢筋 昆凝土扩展基础底板的纵向受拉钢筋最小配筋率和混凝土强度等级等问题作一讨论。 31 扩展基础底板纵向受拉钢筋的最小配筋率 “规范GB 50007”对诸如筏板、桩等均规定了纵向受拉钢筋的最小配筋率，但对扩展基础，仅规定了钢筋的最小直径和最大间距，因此，设计人员提出下列猜测： 1)仅需按计算要求并满足“规范GB 50007”的构造配筋即可。 2)应符合“规范GB 50010”第952条关于卧置于地基上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于015。 3)由于“规范GB 50010”第952条条文说明中指出，它属于钢筋混凝土厚板，因此，人们揣测它属于地基筏板，不适用于扩展基础。因此认为，应按上述规范第951条的规定，取max02 ，04 f,；有人特别指出，条形基础底板配筋就应按此规定。 无独有偶，这个问题早在美国也存在不同观点。美国“规范ACI 31819922002”，对等厚的结构板和基础板，其受拉钢筋的最小配筋率应符合对温度和收缩配筋的要求，同时钢筋的最大间距不应大于3 和450mm(2002版第l054条)，对温度和收缩配筋的最小配筋率(按混凝土毛面积计算)应符合下列规定并不应低于014(2002版第7122条)： a)使用40级或50级变形钢筋的板，取02 ； b)使用60级变形钢筋或焊接钢丝网(光面或变形)，取018 ： c)使用在屈服应变为035 时所测得屈服应力超过400Nmm2钢筋的板，取000184oof,k。美国的50级、60级钢筋大致相当于我国的HRB335、HRB400钢筋。 对于美国规范ACI 318的规定，文献1中作了如下的评述：将规范“ACI 3181989”第l05节提出的最小配筋率(即10 =14 ，这是“ACI 3181992”年版之前的规定；“规范ACI 3181995”年版已将最小配筋率改为10 =A B,minbh。= 025= ，且不应小于14f,，这里指矩形截面，计算按公制，除 外其他改用我国的符号表示)应用于基础时，是每一个方向分别要求，还是指总量，争论很多。仔细阅读“ACI规范第1053条及说明RIO53可知，荷载会分散到旁边去，而且不大会出现突然破坏。但是，这个理由仅适合于高次超静定的房屋楼板；在基础(这里可能是指扩展基础)中，重分布的可能性很小，还因为基础对结构安全的重要性，很多工程师仍然取基础的最小配筋率14 。这个意见在“规范ACI 3182002”的RIO5中得到了肯定，它作出了如下的说明：在悬臂构件和其他不可能产生弯矩重分布的静定构件中，一个较高的最小受拉钢筋数量尤为必要。 该教材指出的(扩展)基础重要性和非超静定性以及。规范ACI 3182002”的进一步阐述应引起我们关注。基础对上部结构起到承上启下作用，其所处地下或水下环境的严竣性并难于检查，同时要保证在设计使用年限内不需大修等要求，适当提高最小配筋率，略为增加安全储备是有必要的。为此，结合“规范GB 500102002”中的有关规定，提出下列扩展基础的最小配筋率建议取值供大家讨论：独立基础底板的每一方向和条形基础的纵向受拉钢筋最小配筋率应取-nax015，045ff,，按此建议算得的JD 列于表l中。确定A 应按计算截面处的全截面面积计算。 表1 纵向受拉钢筋最小配筋百分率JD 条形基础底板的纵向受拉钢筋的最小配筋率宜符合。规范GB 500102002”中对受弯构件的规定，即取max02 ，045f,f,。 32 扩展基础的混凝土强度等级 “规范GB 50007”第304条规定：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；但是在第822条作出扩展基础的混凝土强度等级不应低于C20的规定中，未与设计使用年限相挂钩。对此，似应作出必要的补充。 参照“规范GB 50010”第34节的规定，拟订表2的取值供讨论。本文未论及少筋混凝土可否在基础中应用的问题。 表2 钢筋混凝土扩展基础的最低混凝土强度等级 注：1)当有可靠工程经验时，最低混凝土强度等级可降低一级。2)对四、五类环境，应符合有关标准的规定。 参考文献 1 尼尔逊温特尔(美)混凝土结构设计过镇海，等，译北京：中国建筑工业出版社，1994 2 艾伦：威廉斯(美)钢混混凝土结构设十北京：中国水利水电出版社