劉曉穎 劉民易

(建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 引言

JCCAD軟件是PKPM系列軟件中的重要成員之一，由于其能夠接力PMCAD、PK、SATWE和PMSAP、QITIQ等上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，因此在廣大設(shè)計(jì)院中得到了廣泛的應(yīng)用。

采用JCCAD軟件對(duì)砌體承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，如何正確讀取平面荷載?構(gòu)造柱荷載如何考慮?對(duì)于帶變形縫的磚混結(jié)構(gòu)，其變形縫處荷載如何考慮?對(duì)于磚混底框結(jié)構(gòu)，讀取SATWE荷載時(shí)，是否要考慮地震作用?對(duì)于磚混帶局部底框結(jié)構(gòu)，其荷載形式該如何考慮?平面荷載和PK荷載有何區(qū)別?《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的承載力和變形計(jì)算是如何規(guī)定的?是否要進(jìn)行基礎(chǔ)的沉降計(jì)算以及什么情況下需要進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變形計(jì)算等?這些既是廣大設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中非常關(guān)心的問題，也是在使用JCCAD軟件進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，由于不清楚軟件的編制原理和計(jì)算方法，比較容易出錯(cuò)的地方。因此筆者以為有必要結(jié)合規(guī)范的相關(guān)條文和具體的工程實(shí)例，詳細(xì)闡述此類工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何合理應(yīng)用JCCAD軟件。

2 承載力計(jì)算

2.1 規(guī)范相關(guān)條文

(1)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](簡(jiǎn)稱《抗震規(guī)范》)4.2.1條規(guī)定:砌體房屋可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算。

(2)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](簡(jiǎn)稱《地基規(guī)范》)5.2.1條規(guī)定:基礎(chǔ)底面的壓力，應(yīng)符合下式要求:

1軸心荷載作用時(shí)

2偏心

(3)《地基規(guī)范》5.2.2條規(guī)定:基礎(chǔ)底面的壓力，可按下列公式確定:

1當(dāng)軸心荷載作用時(shí)

2偏心

(4)《地基規(guī)范》8.1.2 條規(guī)定:基礎(chǔ)高度，應(yīng)符合下式要求(圖1)

式中:b—基礎(chǔ)底面寬度;

b0—基礎(chǔ)頂面的墻體寬度或柱腳寬度;

H0—基礎(chǔ)高度;

b2—基礎(chǔ)臺(tái)階寬度;

tanα—基礎(chǔ)臺(tái)階寬高比b2∶H0，其允許值可按規(guī)范表8.1.2選用。

圖1 無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)構(gòu)造示意(d為柱中縱向鋼筋直徑)

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不考慮地震作用[3]。

砌體結(jié)構(gòu)一般采用無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)(包括磚、毛石、砼或毛石砼、灰土和三合土等材料)[4]，根據(jù)其基礎(chǔ)形式受力特點(diǎn)的特殊性，只要保證每段墻下條形基礎(chǔ)的承載力能夠滿足其上部各墻段荷載的要求即可。

鑒于上述原因，在確定砌體結(jié)構(gòu)的墻下條基的設(shè)計(jì)內(nèi)力時(shí)，不需要考慮地震作用以及彎矩和剪力，只需要考慮軸力作用。

3 變形計(jì)算

《地基規(guī)范》3.0.2 和3.0.3 列出了地基變形計(jì)算的要求。

《地基規(guī)范》[2]5.3.3 －1 規(guī)定:由于建筑地基不均勻、荷載差異很大、體型復(fù)雜等因素引起的地基變形，對(duì)于砌體承重結(jié)構(gòu)應(yīng)由局部?jī)A斜控制。

從上可以看出，在一般的情況下，砌體承重結(jié)構(gòu)可以不進(jìn)行地基變形計(jì)算，但是，當(dāng)由于地基不均勻、局部荷載過大和體型復(fù)雜等因素存在時(shí)，還是應(yīng)該進(jìn)行基礎(chǔ)的變形計(jì)算。對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，當(dāng)基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，由于其協(xié)調(diào)能力不足容易產(chǎn)生局部?jī)A斜，房屋常因此破壞，所以對(duì)于砌體承重結(jié)構(gòu)而言應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況，具體分析判斷是否應(yīng)該進(jìn)行沉降計(jì)算。

4 JCCAD的荷載選用

4.1 砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載的選擇

鑒于砌體結(jié)構(gòu)的墻下條基的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在10版JCCAD程序中有讀取“平面荷載”的選項(xiàng)，見圖2。

圖2 10版【讀取荷載】菜單

(1)磚混結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱傳到基礎(chǔ)荷載往往很小，一般只有其自重，因此構(gòu)造柱下不用設(shè)置獨(dú)立柱基，只需將構(gòu)造柱處的節(jié)點(diǎn)荷載分配到與其相連的墻段上，其荷載與墻上本身荷載合并為一之后再進(jìn)行墻下條基設(shè)計(jì)即可。在JCCAD程序中可以通過【荷載輸入】(【無基礎(chǔ)柱】菜單項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)[5]，如圖3，程序會(huì)將構(gòu)造柱處的節(jié)點(diǎn)荷載根據(jù)相關(guān)墻段的長(zhǎng)度進(jìn)行平均分配。設(shè)置【無基礎(chǔ)柱】前后的墻段荷載的變化，以某工程為例見圖4。只有通過這樣的處理，在設(shè)計(jì)墻下條基時(shí)，才不至于將構(gòu)造柱處的荷載丟失，避免設(shè)計(jì)結(jié)果的不安全性。

圖3 【無基礎(chǔ)柱】菜單

(2)由于“平面荷載”的導(dǎo)荷原則采用的是:只與板的周邊構(gòu)件是否存在有關(guān)，與構(gòu)件的剛度無關(guān)，所以，每段墻承受的荷載大小可能會(huì)存在一定差異，即同一軸線上各段墻承受的荷載有差異，進(jìn)而影響到對(duì)應(yīng)生成的墻下條基截面尺寸也有差異。

圖4 墻段荷載圖 (設(shè)置【無基礎(chǔ)柱】前、后對(duì)比)

這種設(shè)計(jì)結(jié)果，從計(jì)算的原理上說是符合其實(shí)際工程情況，但是對(duì)于樓層數(shù)相同荷載差異不大的工程，在實(shí)際施工中，最好設(shè)計(jì)成相同的條基截面尺寸才比較理想[6]。對(duì)此，可以通過 JCCAD的【荷載參數(shù)】中的“平面荷載按軸線平均”選擇項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)，見圖5。如選擇該要求，則程序?qū)⑼惠S線上的砌體墻下荷載按均勻分布處理(該參數(shù)只是適合于砌體結(jié)構(gòu))。(注:即使同一軸線上荷載相同，由于考慮基礎(chǔ)底面積重復(fù)利用修正，每段生成的基礎(chǔ)也有可能會(huì)有所不同。)

圖5 10版JCCAD【荷載參數(shù)】

(3)當(dāng)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)縫時(shí)，由于縫兩側(cè)的樓層數(shù)存在較大差異，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將兩側(cè)的荷載分別取平均值考慮，而不是同一軸線上的荷載取均值，10版JCCAD程序也充分考慮到這一點(diǎn)，下面以某工程實(shí)例簡(jiǎn)單說明。該工程為一磚混結(jié)構(gòu)，設(shè)有抗震縫，其三維軸測(cè)圖如圖6所示。

圖6 三維軸側(cè)圖

以1區(qū)和2區(qū)處的縫為例簡(jiǎn)單說明，如圖7、圖8，考慮“平面荷載按軸線平均”后，程序?qū)⒖p兩側(cè)的墻段荷載各自取平均。

圖7 平面局部圖

圖8 砌體結(jié)構(gòu)讀取“PM恒+活”圖(不考慮與考慮均值對(duì)比)

4.2 底框結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載選擇

從我國(guó)多次強(qiáng)地震中遭受破壞的建筑來看，只有少數(shù)房屋因?yàn)榈鼗脑蚨鴮?dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞，這類地基大多是液化地基，以及易產(chǎn)生震陷的軟土地基和嚴(yán)重不均勻地基，而大量的一般性地基具有良好的抗震性能，極少因地基承載力不夠而產(chǎn)生震害[1]。

《抗震規(guī)范》[1]4.2.1 條規(guī)定:下列建筑可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗(yàn)算:

(1)砌體房屋

(2)地基主要受力層范圍內(nèi)不存在軟弱粘性土層的下列建筑

a.一般的單層廠房和單層空曠房屋;

b.不超過8層且高度在25m以下的一般民用框架房屋;

c.基礎(chǔ)荷載與b項(xiàng)相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房。

(3)本規(guī)范規(guī)定可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的建筑

注:軟弱粘性土層指7度、8度和9度時(shí)，地基承載力特征值分別小于80、100和120kPa的土層。

底框結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)一樣，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)，一般可以不考慮地震作用。設(shè)計(jì)人員采用PKPM進(jìn)行此類工程設(shè)計(jì)時(shí)，上部砌體結(jié)構(gòu)用QITI＜③砌體信息與計(jì)算 ＞、下部底框結(jié)構(gòu)用 SATWE、PMSAP或TAT進(jìn)行分析計(jì)算。

JCCAD軟件進(jìn)行底框的柱基設(shè)計(jì)可不考慮地震荷載組合，但如果選擇讀取地震作用工況，則程序也會(huì)自動(dòng)加入其對(duì)應(yīng)的荷載組合，并作相應(yīng)的承載力驗(yàn)算。

如圖9～10，是選擇和不選擇地震作用工況所對(duì)應(yīng)的荷載組合。

圖9 讀取SATWE恒荷載、活荷載和地震作用工況

圖10 讀取SATWE恒荷載和活荷載

以某工程為例，節(jié)點(diǎn)1處的柱下獨(dú)基，按考慮與不考慮地震作用組合兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)生成的基礎(chǔ)底面積尺寸不同，分別為1 890mm×1 890 mm和 1 698 mm×1 698 mm，如圖 11，12，從中可以看出修正后的地基承載力值也不同，考慮地震作用為366 kPa，不考慮地震作用為282 kPa。

因此，在使用JCCAD程序進(jìn)行磚混底框基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)工程的具程監(jiān)管信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用體情況，并結(jié)合規(guī)范要求來判斷是否考慮地震作用工況。

圖11 柱下獨(dú)基計(jì)算書(考慮地震作用)

圖12 柱下獨(dú)基計(jì)算書(不考慮地震作用)

4.3 磚混結(jié)構(gòu)中局部底框柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載選擇

對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)中存在局部底框柱的情況，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)建議同時(shí)讀取“平面荷載”、“SATWE荷載”或“PK荷載”;否則會(huì)造成局部底框柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)存在一定的安全隱患。

一般砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱的荷載處理已在前面作了闡述，但是當(dāng)磚混結(jié)構(gòu)由于其建筑功能需要存在局部底框時(shí)，如果此處的柱仍然簡(jiǎn)單地按照構(gòu)造柱處的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理明顯不合理，因此應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。首先在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了應(yīng)該在QITI＜③砌體信息與計(jì)算＞中進(jìn)行抗震驗(yàn)算外，還應(yīng)該將該處的柱、梁按照底框進(jìn)行內(nèi)力、配筋計(jì)算;然后到JCCAD＜②基礎(chǔ)人機(jī)交互輸入＞中讀取，考慮相應(yīng)的軸力、彎矩和剪力。

JCCAD底框處讀取“平面荷載”與“PK荷載”其內(nèi)力存在很大差異，如圖13，主要有兩點(diǎn):

1)“平面荷載”只有軸力，沒有彎矩和剪力，“PK荷載”不但有軸力，還有彎矩和剪力;

2)“PK荷載”比“平面荷載”的軸力值小。由于“平面荷載”和砌體抗震驗(yàn)算中底框分析的導(dǎo)荷方式不同，所以二者傳給基礎(chǔ)的荷載存在一定的差異?！捌矫婧奢d”是將底框梁上的磚墻荷載全部導(dǎo)到柱上，而“PK荷載”則是在進(jìn)行磚混抗震驗(yàn)算時(shí)，底框梁上的磚墻荷載在傳到底框?qū)訒r(shí)，已經(jīng)根據(jù)墻段將上層驗(yàn)算的構(gòu)造柱荷載按照磚混抗震驗(yàn)算原則，平均分配到與其相連的相應(yīng)墻段上，因此“PK荷載”的軸力值一般小于“平面荷載”。

分別讀取“平面荷載”與“PK荷載”，二者對(duì)應(yīng)生成的基礎(chǔ)截面尺寸存在很大差異，如圖14。

圖13 底框處讀取“平面荷載”與“PK荷載”對(duì)比圖

圖14 柱下獨(dú)基讀取“平面荷載”與“PK荷載”生成基礎(chǔ)底面尺寸對(duì)比圖

由于“PK荷載”存在彎矩和剪力，但是其軸力比“平面荷載”小，因此建議在底框處基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)最好同時(shí)讀取“平面荷載”和“PK荷載”，由程序根據(jù)最不利組合自動(dòng)生成基礎(chǔ)截面尺寸。

5 結(jié)束語

采用JCCAD軟件進(jìn)行砌體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，合理地選擇荷載形式，確保承載力和沉降都滿足規(guī)范的要求，保證工程設(shè)計(jì)安全可靠，是非常重要的。

根據(jù)《抗震規(guī)范》的相關(guān)要求，砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般不需要考慮地震作用的影響。對(duì)于磚混底框結(jié)構(gòu)，讀取SATWE荷載時(shí)，一般不需要考慮地震作用的影響。對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，宜讀取平面荷載，構(gòu)造柱荷載宜平均到周邊的承重墻上。對(duì)于磚混局部底框結(jié)構(gòu)，建議同時(shí)讀取平面荷載和PK荷載，程序自動(dòng)取最不利進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。根據(jù)《地基規(guī)范》的相關(guān)要求，除非是液化土層，需要驗(yàn)算局部不均勻沉降，一般情況下不需要計(jì)算基礎(chǔ)變形。

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011－2010》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010年8月第一版.

[2]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007－201x》(報(bào)批稿).

[3]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范管理組編.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011－2010統(tǒng)一培訓(xùn)教材》.地震出版社，2010年9月第一版.

[4]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004年6月第一版.

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所著.《PKPM基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件功能詳解》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009年12月第一版.

[6]陳岱林，趙兵，劉民易.《PKPM結(jié)構(gòu)CAD軟件問題解惑及工程應(yīng)用實(shí)例解析》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008年5月第一版.