某舊廠房改造中的聯(lián)合基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)分析

范 康

(中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710054)

1 概述

我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)中，對(duì)單柱擴(kuò)展基礎(chǔ)有基本的理論、設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造要求等［1］。在獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)分析中，基于彈性理論分析，在豎向荷載作用下的基礎(chǔ)，如圖1a)所示，其基底應(yīng)力分布并不均勻，實(shí)際的應(yīng)力分布取決于基礎(chǔ)自身的剛度和下部受力層土體。根據(jù)中國(guó)建筑科學(xué)研究院對(duì)豎向荷載作用下基礎(chǔ)不同寬高比的板的力學(xué)試驗(yàn)分析，基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)基礎(chǔ)臺(tái)階高寬比不大于2.5的獨(dú)立柱基可采用基底反力直線分布進(jìn)行內(nèi)力分析，如圖1b)所示。

圖1 基礎(chǔ)底面應(yīng)力分布圖

雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有具體的規(guī)定。國(guó)內(nèi)外對(duì)雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)都有相關(guān)試驗(yàn)研究［2，3］，對(duì)于矩形聯(lián)合基礎(chǔ)有一個(gè)基本假定:聯(lián)合基礎(chǔ)是剛性構(gòu)件。基于這個(gè)的假定，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行必要的修正，雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)的一種近似計(jì)算方法計(jì)算要點(diǎn)是［4］:

1)確定基礎(chǔ)底面形心的位置，盡可能使其與兩柱傳給基礎(chǔ)的荷載的合力作用點(diǎn)相重合，基底反力呈均勻分布，按地基承載力確定基礎(chǔ)底面尺寸。

2)分別對(duì)兩柱柱下進(jìn)行基礎(chǔ)受沖切承載力及受剪承載力驗(yàn)算，以確定基礎(chǔ)高度。

3)基于梁板設(shè)計(jì)理論，沿基礎(chǔ)的縱向及橫向(柱附近的一定寬度范圍內(nèi))分別視為倒置的伸臂梁或懸臂梁，計(jì)算控制截面的彎矩以確定基礎(chǔ)配筋。

2 工程概況

某鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)舊工業(yè)廠房，為雙跨雙坡形式，屋架為預(yù)應(yīng)力混凝土折線形屋架，鋼筋混凝土柱，柱下采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。廠房單跨跨度為24 m，縱向軸距為6 m，柱頂標(biāo)高為7.2 m。

現(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)需要擬對(duì)其進(jìn)行改造加固后再利用。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，擬在廠房?jī)?nèi)部其中一跨內(nèi)新建二層鋼框架結(jié)構(gòu)，框架柱采用箱形截面柱，梁為焊接H型鋼。改造項(xiàng)目所在地的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，為保證原混凝土結(jié)構(gòu)廠房與新建鋼框架結(jié)構(gòu)抗震體系的協(xié)調(diào)，新建結(jié)構(gòu)地上部分與原結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，新建鋼框柱與舊廠房混凝土柱之間設(shè)置抗震縫，縫寬150 mm;結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 舊廠房加固改造結(jié)構(gòu)布置示意圖

為滿足功能需求，新建鋼框架結(jié)構(gòu)部分邊柱與原廠房邊柱及中柱距離較近，最小柱間距僅150 mm，新舊基礎(chǔ)相互影響。基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)條件及相關(guān)理論，結(jié)合雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，對(duì)新舊結(jié)構(gòu)雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，滿足設(shè)計(jì)要求，完成改造工作。

3 新舊結(jié)構(gòu)聯(lián)合基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)方法

根據(jù)雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)新舊結(jié)構(gòu)共用基礎(chǔ)的加固方法進(jìn)行分析。共用新基礎(chǔ)需要進(jìn)行地基承載力計(jì)算、地基變形計(jì)算、基礎(chǔ)受沖切承載力驗(yàn)算、受剪承載力驗(yàn)算以及底板配筋設(shè)計(jì)。

3.1 地基加固與承載力驗(yàn)算

對(duì)于加固改造項(xiàng)目，原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與地基已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定。地基承載力及變形計(jì)算時(shí)需要根據(jù)新舊結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、基礎(chǔ)形式、施工條件綜合考慮。常用的地基基礎(chǔ)加固方法有很多種，如基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)注漿加固法、加大基礎(chǔ)底面積法、加深基礎(chǔ)法、錨桿靜壓樁法、樹根樁法等［5］。

結(jié)合本工程實(shí)際情況，當(dāng)新增加部分荷載不大時(shí)，盡量利用原地基持力層作為加固基礎(chǔ)的持力層，通過(guò)增大基底截面法，使加固后基礎(chǔ)底面的平均壓力接近原基礎(chǔ)基底壓力。確定基礎(chǔ)底面形心的位置，盡可能使其與兩柱傳給基礎(chǔ)的荷載的合力作用點(diǎn)相重合，基底反力呈均勻分布或梯形分布。這種加固方法施工簡(jiǎn)單，對(duì)原結(jié)構(gòu)影響小，地基變形可控。

3.2 基礎(chǔ)受沖切承載力及受剪承載力驗(yàn)算

基礎(chǔ)受沖切承載力及受剪承載力與基礎(chǔ)截面高度呈線性關(guān)系，加大基礎(chǔ)高度可以顯著增大基礎(chǔ)受沖切承載力及受剪承載力。

3.3 基礎(chǔ)梁板配筋復(fù)核與加固

新舊結(jié)構(gòu)共用基礎(chǔ)基于聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)布置構(gòu)建合理的分析模型。根據(jù)新建鋼框架柱與原廠房柱之間的位置關(guān)系及荷載大小，分別采用不同的基礎(chǔ)形式。當(dāng)柱間距較小時(shí)，擬采用錐形聯(lián)合基礎(chǔ);當(dāng)柱間距較大時(shí)，可采用梁式聯(lián)合基礎(chǔ)。重新計(jì)算聯(lián)合基礎(chǔ)配筋并校核原底板配筋［6］。

4 新舊結(jié)構(gòu)聯(lián)合基礎(chǔ)加固方案

4.1 錐形聯(lián)合基礎(chǔ)加固方案

當(dāng)柱間距較小時(shí)，采用錐形聯(lián)合基礎(chǔ)，如圖3所示。新增鋼框架柱與原排架柱在地面以下、基礎(chǔ)以上部分形成剛度較大的聯(lián)合短柱，根據(jù)其受力特點(diǎn)，可以采用獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)計(jì)算原理分析聯(lián)合錐形基礎(chǔ)的內(nèi)力。

圖3 錐形聯(lián)合基礎(chǔ)加固

根據(jù)兩柱傳給基礎(chǔ)的荷載及地基承載力特征值，確定基礎(chǔ)底面積及底板寬度a2的尺寸，盡量使荷載作用點(diǎn)與基礎(chǔ)底面形心相重合，基底反力均勻分布且不大于原基底反力設(shè)計(jì)值。驗(yàn)算基礎(chǔ)受沖切承載力及受剪承載力，復(fù)核聯(lián)合基礎(chǔ)高度h1，h2;為了減少對(duì)原基礎(chǔ)的破壞，降低施工難度，可以適當(dāng)加大基礎(chǔ)高度，使聯(lián)合基礎(chǔ)底板配筋與原基礎(chǔ)底板鋼筋相同。加固后的底板配筋應(yīng)符合最小配筋率的要求。

聯(lián)合基礎(chǔ)短柱外圍箍筋應(yīng)根據(jù)兩柱荷載大小計(jì)算，配筋應(yīng)滿足兩柱柱底剪力及兩柱軸力差值的作用。短柱頂面在兩柱之間適當(dāng)配置縱向鋼筋，以滿足特殊工況下兩柱間的內(nèi)力。

4.2 梁式聯(lián)合基礎(chǔ)加固方案

當(dāng)柱間距較大時(shí)，可采用梁式聯(lián)合基礎(chǔ)，如圖4所示。新增鋼框架柱與原排架柱間距較大，梁式基礎(chǔ)受力類似于倒樓蓋模型。兩柱之間基礎(chǔ)梁上部會(huì)出現(xiàn)較大的正彎矩，兩柱之外懸挑部分有較大的負(fù)彎矩。當(dāng)基礎(chǔ)高度不小于1/6柱距時(shí)，基底反力可按直線分布，可采用連續(xù)梁模型計(jì)算內(nèi)力。

根據(jù)兩柱傳給基礎(chǔ)的荷載及地基承載力特征值，盡量使荷載作用點(diǎn)與基礎(chǔ)底面形心相重合，基底反力直線均勻分布，確定基礎(chǔ)底面積及底板寬度a3的尺寸。

圖4 梁式聯(lián)合基礎(chǔ)加固

根據(jù)連續(xù)梁受力特點(diǎn)，基礎(chǔ)暗梁應(yīng)在柱兩側(cè)盡量設(shè)置懸挑，以平衡柱底彎矩并減小柱間正彎矩值。梁式聯(lián)合基礎(chǔ)高度h根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算，并滿足構(gòu)造要求。基礎(chǔ)高度可以保證基礎(chǔ)具有足夠的剛度抵抗基礎(chǔ)變形，調(diào)節(jié)兩柱荷載，保證基底反力呈線性均勻分布。基礎(chǔ)配筋根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果在基礎(chǔ)頂部與底部配置必要的鋼筋并滿足構(gòu)造要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1)改造項(xiàng)目中新舊結(jié)構(gòu)柱的荷載與位置與聯(lián)合基礎(chǔ)選型關(guān)系較大，新建結(jié)構(gòu)方案布置時(shí)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、荷載大小及結(jié)構(gòu)形式，采用合理的基礎(chǔ)加固方案，保證加固設(shè)計(jì)的安全性、施工可行性及經(jīng)濟(jì)性。

2)錐形聯(lián)合基礎(chǔ)與梁式聯(lián)合基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)方法都是基于基礎(chǔ)剛性假定，設(shè)計(jì)中應(yīng)控制基礎(chǔ)寬高比，保證基礎(chǔ)剛度，滿足基底反力呈線性均勻分布的設(shè)計(jì)條件。

3)本文基于某舊廠房加固改造項(xiàng)目的實(shí)例給出了雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的兩種方案及適用條件，可為同類工程提供必要的參考。但是新舊建筑聯(lián)合基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，受到各種外界條件影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各種不利因素，因地制宜，合理分析，滿足設(shè)計(jì)要求。