课程设计任务书和指导书(12年6月)

  一、设计任务

      某多层钢筋混凝土框架结构房屋的基础。根据上部结构及现场地基情况采用柱下条形基础。

  二、设计依据

      《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2011）

      《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）

  三、设计要求

      计算书要求: 完成一榀框架柱下条形基础的计算，计算书中应包括必要的设计资料、计算简图、详细完整的计算过程和结果以及构造草图。

      具体计算内容有：

   ⒈ 工程概况

   ⒉ 选择地基持力层，确定基础的埋置深度

　 ⒊ 计算修正后的地基承载力特征值

   ⒋ 确定柱下条基底面尺寸，并验算软弱下卧层的承载力

   ⒌ 地基梁的内力计算（按调整倒梁法）

   ⒍ 地基梁正截面抗弯强度设计

   ⒎ 地基梁斜截面抗剪强度设计

   ⒏ 地基梁翼板配筋设计

   ⒐ 地基梁最终配筋简图

      施工图要求: 完成一张２＃图纸，要求给出地基梁施工所需的全部图样、尺寸、数据及说明，达到能交付施工的程度。

      具体图样有：

   ⒈ 地基梁配筋立面详图  

   ⒉ 地基梁钢筋大样图

　 ⒊ 地基梁配筋剖面详图

   ⒋ 施工说明   

  四、设计资料

   ⒈ 上部结构资料:

      上部为四层框架，框架梁、柱及基础为现浇，屋面及楼面为预制预应力钢筋混凝土多孔板。柱截面为400×400mm，柱网平面布置如图１所示（题号详见表１）。荷载组合情况参见图２。

   ⒉ 场地工程地质条件：

　　  建筑场区地势平坦，地层组成参见图３～6。建筑物所在区域为非震区，不考虑地震影响。

　 ⒊ 材料：

　　  基础混凝土采用Ｃ20，垫层Ｃ10。钢筋公称直径在12mm以上者，采用HRB335级钢筋；12mm及以下者，采用HPB235级钢筋。

       注：1.采用1-1剖面方向进行条形基础设计计算；

           2.图2中所示方向为荷载正方向；

           3.表1中的Nk，Mk，Vk为荷载效应标准组合。

柱下条形基础课程设计指导书

  一、设计计算步骤:

　（一）确定柱下条形基础底面尺寸，并验算持力力层和软弱下卧层的承载力

⒈　绘出条形基础梁的计算简图，包括荷载、尺寸等，如图。

          FA         FB     F   FC            FD

                 XC

       MA             MB               MC            MD

          A          B         C         D 

　　⒉　求荷载合力重心位置。

　　　　设合力作用点与边柱Ａ的距离为ｘc，据合力矩定理，以Ａ点为参考点，则有：

　　　　　　　　  　 ∑Ｆikｘi ＋ ∑Ｍik

　　　　　　ｘc ＝ ──────────

                          ∑Ｆik

　　⒊　确定基础梁的长度和外伸尺寸。

　　　　设基础梁两端外伸的长度为ａ1、ａ2，两边柱之间的轴线距离为ａ。为使其合力作用点与基底形心相重合或接近，基础梁两端可有适当的长度伸出边柱外。但伸出长度也不宜太大，一般宜取第一跨距的0.25倍。当ｘc 确定后，可按合力作用点与基底形心相重合的原则，定出基础梁的长度Ｌ。若巳选定ａ1，则有：

　　　　　 Ｌ ＝ 2（ｘc ＋ ａ1 ）,  ａ2 ＝ Ｌ－a－ａ1

　　⒋　按地基持力层的承载力确定基础梁的宽度ｂ。

　　　　初定基础的埋置深度ｄ，若ｄ＞0.5m，应对持力层承载力进行深度修正，即： 

           fa＇＝ fak ＋ηd·γm（ｄ－ 0.5 ）。则有：

                      ∑Ｆik 

　　　　　 ｂ≥ ─────────　　

                 Ｌ（fa＇－ 20ｄ）

　　    若ｂ＞３ｍ时，还应进行地基承载力的宽度修正后，再代入上式确定基础宽度。若ｂ≤３ｍ时，则持力层的地基承载力设计值fa= fa＇。

　　⒌　当地基有软弱下卧层时，还应进行软弱下卧层的强度验算。

　　　　作用于软弱下卧层顶部的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值，即：

                  　ｐcz ＋ ｐz ≤ faz

其中：　ｐcz ＝ ∑γiｈi

                     ｂ(ｐk-ｐc)

            ｐz ＝ ────────

                    b ＋ 2ｚtanθ

            faz ＝fak ＋ ηdγm（ｄ+ z - 0.5 ）

　　⒍　考虑Ｍmax时的荷载组合，验算持力层的地基承载力（梁长方向）。

　　　　初设基础高度Ｈ0，验算：

　　　　　ｐkmax ＝（ ∑Ｆik ＋ Ｇk ）／ｂＬ＋ 6∑Ｍk／ｂＬ2 ≤ 1.2fa

　　　　　ｐkmin ＝（ ∑Ｆik ＋ Ｇk ）／ｂＬ－ 6∑Ｍk／ｂＬ2 ＞ 0

    式中：∑Ｆik ─── 相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基顶的竖向力值之和（kN）；

　　　　　　Ｇk  ─── 基础及其台阶上土的重量（kN）；

　　　　　∑Ｍk ＝ ∑Ｍik ＋ ∑Ｖk·Ｈ0 +∑Fik；

          ∑Ｍik ───相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的力矩（kN·m）；

          ∑Ｖik ───相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的剪力（kN）；

           Ｈ0  ─── 基础梁高度，一般为基底反力符合直线分布的假定，基础梁的高度宜大于平均柱距的1／6；

　　　　　　fa ─── 持力层经深宽修正后的地基承载力特征值；

            ─── 各柱轴力至基底形心的距离。

　　（二）、基础梁的内力计算（按倒梁法计算）

     ⒈　计算基底净反力，绘计算简图（按Ｎmax计算）

                          ∑Ｆik

　　　　基底净反力ｑj ＝ ────×1.35（kN／m）

                            Ｌ

 A＇  A                  B                    C              D     D＇

                                                                     qj

   a1           L1                 L2                 L3         a2

    ⒉　按力矩分配法计算连续梁内力

     ⑴ 计算固端弯矩(弯矩、剪力的符号，以杆端顺时针转动为正）

　　　　由于柱下条形基础一般两端都有向外延伸的部分，因此应对悬臂端进行处理。即将悬臂端A＇A和D＇D单独分开，这部分的内力按静力平衡条件便可求得：

      　　      1                  A′               A

      ＭAA＇＝ - ─ｑj·ａ12 ；　　   qj

                2                           a1

      D                D′

                                          1

                        qj                ＭDD＇＝ ─ｑj·ａ22

              a2                          2

                                     A                        B

                1           1

      ＭBA ＝ - ─ ｑj·L12 + — ＭAA＇                                                         qj

                8           2                   L1

                                     B                        C

                      1

      ＭBC ＝ -ＭCB ＝ ─ ｑj·L22                                                               qj

                     12                         L2

                                     C                        D

              1           1

      ＭCD ＝  ─ ｑj·L32 - — ＭDD′                                                          qj  

              8           2                     L3

⑵ 分配系数

　　　　               ＥＩ             ＥＩ             ＥＩ

　　各杆线刚度 ｉAB ＝ ─── ;  ｉBC ＝ ─── ;  ｉCD ＝ ───

　　　　　　　　　　    Ｌ1              Ｌ2　　　　　　　Ｌ3

                          3ｉBA                       4ｉBC

    分配系数 μBA ＝ ──────── ;  μBC ＝ ────────

                      3ｉBA ＋ 4ｉBC              3ｉAB ＋ 4ｉBC

                          4ｉBC                       3ｉCD

             μCB ＝ ──────── ;  μCD ＝ ────────

                      4ｉBC ＋ 3ｉCD              3ｉCD ＋ 4ｉBC

 ⑶ 弯矩分配

        可列表进行。

     ⑷ 计算各截面剪力、弯矩和支座反力，并绘出Ｍ与Ｖ图

　　　　取各杆件为脱离体按静力平衡条件求各截面的剪力和弯矩，取各支座节点为脱离体求出支座反力。

⒊　调整计算

各支座反力Ｒi与各柱传来的轴力Fi不相等时，可采用局部调整法进行调整。

⑴ 计算简图

          FＡ                     FＢ                     FＣ               FＤ

          ＲＡ                    ＲＢ                    ＲＣ               ＲＤ

　　　ΔｑＡ＝（1.35FＡ－ＲＡ）／（ a1 ＋ L1／３）

　　　ΔｑＢ＝（1.35FＢ－ＲＢ）／（ L1／３＋ L2／３）

　　　ΔｑＣ＝（1.35FＣ－ＲＣ）／（ L2／３＋ L3／３）

　　　ΔｑＤ＝（1.35FＤ－ＲＤ）／（ L3／３＋ a2 ）

   Ａ＇ Ａ                      Ｂ             　　 　Ｃ　　　　　　   Ｄ 　Ｄ＇　

　　  ΔｑＡ　　　　　  　     ΔｑＢ　　　　　　　　ΔｑＣ　　　　     ΔｑＤ

         L1/3               L1/3   L2/3               L2/3  L3/3         L3/3  

     a1                        L1                                          L2                                 L3                    a2

 ⑵ 计算固端弯矩

       L/3    L/3    L/3

                    　　　　　　　　　　　    17ΔｑL2

　１                       ２　　 ΔＭ21＝－ ───────

              Δｑ                              8

       L/3    L/3    L/3        　　　　　     25ΔｑL2

                                  ΔＭ21＝－ ───────

  1                   　　　2　　　　　　　　    8                　　　                                                                         　　　                                                              

              Δｑ

                                             11ΔｑL2

       L/3    L/3    L/3          ΔＭ12＝ ───────

                                                324

  １                      ２　　 

             Δｑ                              3ΔｑL2       

                                  ΔＭ21＝－ ───────

                                                324

                 　                           3ΔｑL2

       L/3    L/3    L/3          ΔＭ12＝ ──────

                                               324

   1                       2

               Δｑ                           

                                              11ΔｑL2

                                  ΔＭ21＝－ ─────

                                                324

注：上述图示固端弯矩图，是以顺时针方向为正，Δｑ是以向上为正。当Δｑ向下时，以－Δｑ代入式中即可。　　

     ⑶ 弯矩分配

可列表进行。

     ⑷ 计算各截面剪力、弯矩及支座反力。并绘出ΔM与ΔV图

　　⒋  将两次计算的剪力、弯矩以及地基反力叠加，求剪力为零处的跨中最大弯矩值。绘出总的弯矩图和剪力图。

　　　　将支座反力与柱荷载进行比较，若两者差别不大，可认为满足要求；若差别较大，则应进行第二次调整，调整方法完全相同（课程设计一般只做一次调整）。

　（三）、地基梁正截面抗弯强度设计

         地基梁的配筋要求基本上与楼面梁相同。一些构造要求如下：

    （1）梁高大于300mm，纵向受力筋d≥10mm，一般取d = 12~32mm。

    （2）净距≥2.5~3.5cm，且大于受力筋直径d；钢筋保护层厚度≥4.0cm（有垫层）。

    （3）伸入梁支座范围内纵向受力钢筋数量：当梁宽≥100mm时，不宜少于2根，应当满足锚固长度。

    （4）箍筋应采用封闭式，其直径一般为6~12mm，对梁高>800mm时，其直径应≥8mm。

    （5）当梁的腹板高度hw≥450mm时，在梁的两侧应沿高度配置纵向构造钢筋，每侧构造钢筋面积不小于腹板截面面积的0.1%，且间距不宜大于200mm ，并宜用拉筋连接。拉筋直径与箍筋相同，间距500~700mm，一般为两倍的箍筋间距。

（6）条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢筋除满足计算要求外，顶部钢筋宜全部通长配置，底面通长钢筋的面积不应少于底面受力钢筋总面积的1/3。

（7）当条形基础的相对刚度较大时，考虑基础的架越作用，基础梁两边跨的跨中弯矩及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的增大系数。

1．材料

         设计所用混凝土为C20:         fc=9.6N/mm2,  ft=1.1N/mm2

                                      Ec=2.55×104N/mm2

         受力钢筋用热轧HRB335级钢筋:  fy=300N/mm2, fy’=300N/mm2

                                       Es=2.0×105N/mm2

         架立钢筋用热轧HPB235级钢筋:  d≤10mm, fy=210N/mm2, fy’=210N/mm2

                                       Es=2.1×105N/mm2

         垫层：100mm厚C10素混凝土 

2．地基梁截面尺寸：                                         a

    （1）梁高H0≥1/6柱距，

   悬臂刚度要求：H0>a1’/4，H0>a2’/4

   梁的整体刚度要求：H0>2%L      

    （2）梁的宽度和翼板尺寸                    

a)  a≥柱宽+10cm                            

H0

  b) 梁翼板外边缘高度hi"≥200mm

hi’

hi

     当翼板厚度大于250mm时，宜采用

hi’’

变厚度翼板，其顶面坡度宜小于或

等于1:3。                                          

         hi按抗剪强度确定                   

                                   pj(kN/m2)       bi’ 

                                               b

        式中取l为单位长度（l =1000mm）。

  c) T形截面梁正截面受弯承载力计算时，翼板的有效计算宽度bi′，按楼面梁考虑，据

     （Ⅰ）按计算跨度l0i考虑     bi′=L0i/3

     （Ⅱ）按翼板厚度考虑  若hf’/h0>0.1, 取bf′=a+12hf’

                                                   若hf/h0<0.05, 取bf′=a

                                                   若0.05≤hf’/h0<0.1, 取bf′=a+6hf’

3．支座、跨中截面配筋（注：列表计算前应确定梁的有效计算高度h0=H0-as,as=50mm(一排)、as=95mm（二排））

                      a

    H0               

                               hf’=(hi’+hi)/2

                    bf’= bi’                                                                                             

（1）支座配筋计算  （参见附表1）

         说明。若支座A﹑D弯矩大小相差不多，支座B﹑C弯矩大小相差不多，支座A﹑D配筋取一样，支座B﹑C配筋取一样。

         地基梁下部受拉，因受拉区混凝土的抗拉强度不考虑，在极限状态下，翼板混凝土已开裂，退出工作，不起作用，计算时仍按a×H0的矩形梁进行，计算结果参见表2。

     最小配筋率不应小于0.2%和45 ft / fy中的较大值。

（2）跨中配筋计算：（注：列表计算前应确定梁的有效计算高度h0=H0-as）（参见附表2）

         跨中是基础上部受拉，下部受压（翼板受压），应考虑其作用，按T形截面计算，计算结果参见表3。　

（四）、地基梁斜截面抗剪强度设计：（参见附表3）

         斜截面抗剪强度设计主要是确定是否计算配置箍筋以及箍筋的直径和间距。

         箍筋肢数根据梁宽a定，当梁宽a小于等于350 mm时，采用双肢箍；梁宽在350～800mm时，采用四肢箍；梁宽大于800 mm时，采用六肢箍。

         当h>80cm时，梁中箍筋的最大间距要求如下：

         当V>0.7ftah0时，Smax=300mm

           V≤0.7ftah0时，Smax=400mm

1.截面的最小尺寸

受剪面应当满足:

          hw/a≤4时，V≤0.25βcfcah0

          hw/a≥6时，V≤0.2βcfcah0

          4< hw /a <6时，按直线内插法取用

hw ─── 截面的腹板高度，矩形截面取有效高度h0；T形截面取有效高度减去翼缘高度。

2.是否按计算配置箍筋：

V≤0.7ftah0

3.只配置箍筋不用弯起钢筋：                            n Asv1

V ≤0.7ftah0 + 1.25fyv ——————— h0

                                                        s

（五）、地基梁翼板配筋计算

     1．翼板配筋按悬臂板计算，在纵向取1m单元宽，计算简图如下所示：

                                               l’      a   

                  pj

         Mmax= pjl’2/2

         Vmax= pjl’

                                                                pj 

                                                      b   

         pj是单位面积上净反力(kPa)，

     2．配筋计算

3．构造筋，纵向放置Ф8 @300。

纵向钢筋最终配筋图。

（注：当受力筋长度>2.5m时，可以交错放置，长度减少10%；

      受力筋至少应有4根通长布置，以满足4肢箍的架立作用且规范规定至少应有钢筋总面

      积的1／3通长布置。)

  二、绘制施工图

     施工图要求: 完成一张＃２图纸，要求给出地基梁施工所需的全部图样、尺寸、数据及说明，达到能交付施工的程度。本图中内容包括：地基梁配筋立面详图、地基梁钢筋大样图(或梁钢筋表)、地基梁配筋剖面详图、施工说明。

施工说明：

1．本设计与施工应符合有关的设计与施工验收规范的要求。施工中如地基情况与原设计不同时，应及时联系现场解决。

2．基础采用C20混凝土，受力筋采用HRB335级热轧钢筋，记为Φ，架立筋、箍筋采用HPB235级热轧钢筋，记为φ。垫层采用C10混凝土，100厚。

3．基坑开挖时应充分注意保持坑底的原状结构。基坑开挖并经验槽后应立即浇混凝土垫层，不得长期暴露。

施工图可参照下页例图。

附表1

计 算

       ρmin 不应小于0.2%和45（ft/fy）中的较大值；

        砼强度等级小于C50，等于C50时，αt=1.0

附表2

计算

         若M<α1fcbf’ hf’(h0-hf’/2),属于第一类T形梁，按bf’×H0矩形进行计算。

         若M>α1fcbf’ hf’(h0-hf’/2),属于第二类T形梁，计算中应考虑截面中腹板受压的作用，其正截面受弯承载力按下列公式计算：

         M≤α1fcax (h0-x/2)+α1fc(bf’-a) hf’(h0-hf’/2) 

         x按下式确定：α1fc［ax + (bf’-a) hf’］=fyAS  

附表3  抗剪箍筋及弯起筋配筋表

箍筋直径应≥最小箍筋直径，间距应小于或等于最大间距要求；

砼强度不超过C50，取βc=1.0