筏板基礎(chǔ)厚度及工程成本探討
張帆
摘要 工程當(dāng)中滿足安全性并提高經(jīng)濟(jì)效益始終存在矛盾,如何合理均衡的平衡二者的關(guān)系顯得尤其重要。本文試圖從確定基礎(chǔ)筏板厚度開端,旨在討論節(jié)省該結(jié)構(gòu)部位成本的方法。
關(guān)鍵詞 筏板基礎(chǔ) 經(jīng)濟(jì)比較 受力控制狀態(tài)
一、現(xiàn)狀分析
實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為輔助性專業(yè),主要需要解決開發(fā)者面臨的難題,在諸多難題之中,如何節(jié)省成本、控制前期投入在綜合成本高企的今天越來越被重視,而基礎(chǔ)是前期工作,直接影響基礎(chǔ)開挖和主體建筑。而設(shè)計(jì)人天然希望用更多的材料保證更安全的結(jié)果,使得對底板厚度毫無控制,許多項(xiàng)目達(dá)到3米以上,這不僅增加了開挖難度、成本,還使得抗浮水位更高,增加本體工作量并產(chǎn)生更多水化熱影響結(jié)構(gòu)安全度。所以控制好板厚其實(shí)可以達(dá)到多重目的。
二、確定底板厚度
從結(jié)構(gòu)安全的角度,底板主要抗剪、抗彎、抗沖切,但以往工程經(jīng)驗(yàn)多采用按上部塔樓結(jié)構(gòu)樓層數(shù)確定,這當(dāng)然有其直接的道理,但也并非是正比關(guān)系,那么究竟什么狀態(tài)可以達(dá)到平衡狀態(tài)呢?
1.底板抗沖切強(qiáng)度
底板抗沖切分為板上墻柱對筏板的沖切和板下樁對筏板的沖切,而前者的解決相對容易且利用樁布置的優(yōu)化降低沖切破壞風(fēng)險(xiǎn),所以更重要的是后者是否滿足沖切要求。
設(shè)邊長為b的樁,混凝土抗沖切強(qiáng)度為ft,板厚hs,有效高度hs0(圖1),板的抗沖切能力為0.6*ft*Um* hs0,Um為沖切作用范圍中軸線(圖2),則Um=4(b+ hs0)。另外單樁平均沖切力為`p*n/m,其中`p為單層樓面靜活荷載折算重量,n為總層數(shù),m為墻柱下樁的總數(shù)量。根據(jù)實(shí)際工程實(shí)測的綜合研究總結(jié),為使底板不沖切破壞,采用1.5倍樁的平均荷載作為樁的沖切荷載確定板厚比較合理,則必須滿足條件式2.4*ft* hs0*(b+ hs0)≥1.5*`p*n/m。
簡化公式令hs0≈hs,則最終公式為
hs2+b*hs≥0.625*`p*n/(ft*m) (1)
2.底板抗彎強(qiáng)度
底板抗彎強(qiáng)度必須滿足各工況荷載作用下內(nèi)部產(chǎn)生的彎矩M≤fs*As* hs0,該公式中M=1/10*q*L2,L為筏板受彎方向的凈跨,`q為底板上受到折算總平均反力。`q=`p*n/(mc2),c為樁中心距(圖3)。則底板的抗彎強(qiáng)度為:
fs*As*hs≥1/10*`p*n*L2/(m*c2)
3.底板抗剪強(qiáng)度
基礎(chǔ)底板跟樓板相同,通常不需要驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度,必要時(shí)再做特殊處理。
綜合(1)、(2)可以看出,hs與n(層數(shù))、m(樁數(shù))、b(樁邊長)、ft(混凝土強(qiáng)度等級)及跨度L等參數(shù)均有關(guān)系,因此也可以看出厚度與層數(shù)并非簡單的線性關(guān)系。
三、厚度控制指標(biāo)
對于一般的底板厚度及配筋設(shè)計(jì),沖切和彎矩最終是由哪個(gè)因素起控制作用?要回答這個(gè)問題就必須從hs -`p*n/m關(guān)系來做更深入的計(jì)算研究(以下分析以平板式筏基為考慮對象)。
1. 抗沖切
由公式(1)變形得到
2.抗彎
對公式(2)按規(guī)范規(guī)定,樁距c與樁徑b之比為3.5;且筏板按經(jīng)濟(jì)配筋率0.8%考慮,得到As=8hs。
代入公式(2),并簡化結(jié)果得到
得到結(jié)果 (4)
由上述推導(dǎo)公式計(jì)算確定實(shí)際板厚,并結(jié)合具體實(shí)際工程設(shè)計(jì)比較如下:
項(xiàng)目名稱層數(shù)基礎(chǔ)形式按推導(dǎo)公式計(jì)算按高層設(shè)計(jì)規(guī)程hs(mm)實(shí)際工程hs(mm)
hs(mm)控制因素
某高層住宅120梁筏550抗彎12001150
某高層住宅225梁筏1110抗彎15102250
某高層寫字樓20平筏1120抗彎12002500
北方某飯店20平筏1390抗彎12101900
某高層住宅330梁筏1180沖切18002500
四、經(jīng)濟(jì)性分析
1.增加土方開挖量
從上表實(shí)際工程比較結(jié)果看來,實(shí)際的板厚大部分超過所需的一倍,平均向下開挖多1米左右,而當(dāng)今項(xiàng)目發(fā)展趨勢占地面積越來越大,動輒幾萬甚至十幾萬平米,土方開挖、運(yùn)輸都是不能忽視的成本。
2.增加混凝土的澆筑工作量
挖走的土方必須由筏板的混凝土來填充,也就增加了幾萬立方的混凝土澆筑量,而板厚的增加也導(dǎo)致施工難度增加以及水化熱的增加,按一車混凝土10立方米計(jì)算,需要增加接近一萬車次,直接成本接近千萬,這種成本規(guī)模在項(xiàng)目前期確實(shí)不可小覷。
3.增加筏板構(gòu)造鋼筋
由于板厚增加,即使以筏板配筋率為0.15%來考慮,也將導(dǎo)致鋼筋量增加一倍,這也將造成很大的浪費(fèi)。
五、結(jié)論
經(jīng)過對理論計(jì)算、設(shè)計(jì)規(guī)程、實(shí)際工程的筏板厚度比較,設(shè)計(jì)規(guī)程已經(jīng)大于理論的計(jì)算值,而實(shí)際工程中由于對地下不確定性的過高估計(jì)使得其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真實(shí)的需求,并且因此帶來了其他的成本增加,卻并沒有產(chǎn)生任何安全性上的提升,顯得不夠優(yōu)化、合理。
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