CN102619232B - 一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，包括承担于上部建筑物下方的主体基础，本发明称为主体基础，还增设有附加基础和基础梁，所述附加基础位于上部建筑物下方外侧，并通过基础梁与主体基础相连。本发明附加基础、基础梁与原有的主体基础形成一个整体，共同受力，使整体的建筑构成一个力矩模型建筑，将上部建筑所受到的外力载荷通过该力矩模型合理地分担了主体基础所承受的外力载荷对上部建筑所形成的力矩，能大大改善建筑基础的受力性能，明显提高抗震性能，并让基础梁在受到罕遇地震时的外加载荷下的两端形成可变形的塑性铰，可以有效吸收地震作用所产生的能量，既提高了结构的抗震性能，又能显著减少基础的造价。

Description

一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础

技术领域

本发明涉及一种建筑基础，特别涉及一种用于抗震设防的钢筋混凝土基础，该建筑基础有利于提高承担上部建筑物传递的地震外力载荷的能力。

背景技术

在地震作用下的建筑结构设计中，我国建筑结构类规范要求的建筑物的抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。可简单归纳为：“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

在外力作用下，建筑结构会处于两种状态下：一种是在外力作用下仍在弹性状态(即应力-应变关系为线性)，结构变形极小，基本完好或损坏轻微；随着外力作用的增大，开始进入塑性状态(即应力-应变关系为非线性)，发生塑性变形，结构变形大或结构已破坏。然而，建筑物变形和破坏往往在薄弱部位首先出现。

建筑物的基础多采用钢筋混凝土结构或者型钢混凝土结构。常规的基础形式主要有：独立基础(图1)、条形基础(图2)、筏板基础(图3)、箱型基础(图4)、桩基础等，参见图1～4中所示，J是基础部分，S是基础所支撑的上部建筑物的结构梁柱部分，这些常规的基础J均单独直接承担上部建筑物S传递的荷载及各种外部的作用(例如风作用、地震作用、温度作用等)。其不足之处在于：由于现有的常规基础J通常是根据我国地基基础设计规范要求的一般外加载荷下出现弹性状态的情况进行设计，若外加载荷超过了基础的抗震承载能力，即当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，将在塑性变形后在某些薄弱位置上出现较为严重的破坏，带来了很大的危险性，同时破坏的位置无法确定，不符合规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”要求，但由于外加荷载的不确定性，如果要使基础能够完全承担罕遇地震时的外加载荷，有足够安全度的话，又会造成建筑成本很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，该基础能够在较低廉的成本情况下明显提高建筑基础承担上部建筑物传递的地震外力载荷的能力。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，包括承担上部建筑物的基础，本发明称为主体基础，其特征在于：还增设有附加基础和基础梁，所述附加基础位于上部建筑物下方外侧，并通过基础梁与主体基础相连。当建筑物受外力载荷的合力F时，如图5a所示，该外力载荷F以主体基础承担上部建筑物重力合力G_S的作用点为支点O相对于附加基础是逆时针弯矩M_逆作用时，所述基础梁作为一个刚臂，使附加基础同时受力，此时附加基础下方土体受压，相应地提供反力，反力的合力F_反乘上附加基础距离主体基础中心的距离L即为附加基础能提供的抗力距M_抗；反之，如图5b所示，当建筑物受到的外力载荷F′以主体基础承担上部建筑物重力合力G_S的作用点为支点O相对于附加基础是顺时针弯矩M_顺作用时，附加基础和其上部土体的重力的合力F_抗乘上附加基础距离主体基础中心的距离L即为附加基础能提供的抵抗力距M_抗。

在现有场地的承载力有限的条件下，通过基础梁的跨度增减造成的力臂L长短的变化来调整基础抗力的力矩大小，以主体基础、附加基础和基础梁三部分能提供抗力大于外加荷载的作用，以便使钢筋混凝土基础可符合安全要求为设计基础，该外加荷载可以根据当地几十年或者百年等罕遇地震时的外加载荷为准。

基于上述技术方案的基础上，本发明可作如下改进：

本发明所述附加基础至少为二个，每个附加基础至少配有一个基础梁，所述附加基础以对称设置在主体基础周围为佳，所述附加基础分别通过各自相应的基础梁与主体基础相连，以使建筑物的在不同方向均匀得到附加基础的抗震力矩的支持。

对于每个建筑物结构的不同情况及地质条件存在的差异，进而可相应设置附加基础的数量、位置，相应设置附加基础与主体基础之间的距离，并相应设置附加基础、主体基础埋入土体的深度。

本发明所述基础梁的跨高比可以在5～10的范围内选择，所述基础梁的截面宽度大于等于400mm，以利于保证基础梁的有效线刚度。本发明所述基础梁内埋设有型钢，所述型钢的总截面积占基础梁截面积的比率在2％～8％的范围内选择，以加强基础梁的抗弯强度。

一般，在场地条件较好的条件下，即主体基础和附加基础均置于基底坚硬土(岩)上的情况下，基础底部的土体承载力较高，附加基础和基础梁的数量可以取下限或者接近下限值，以便控制建设成本。

具体是需先按现场条件确定附加基础的位置，由于在较大的跨度下保证基础梁线刚度导致基础梁截面较大，造价较高，基于经济性要求，基础梁跨度L_跨宜控制在10m以内较为合适。

当受到外力载荷时，主体基础和附加基础都会产生竖向位移Δh，按照Δh≤0.002L_跨来确定主体基础、附加基础、基础梁应有的强度，从而获得主体基础、附加基础的大小，并获得基础梁高度，再通过跨高比获得基础梁跨度L_跨。

本发明所述附加基础中加设有配重，以增加在上部建筑受到的顺时针弯矩M_顺时的抵抗力。

本发明所述附加基础的底部加设有管桩或抗拉锚杆，所述管桩或抗拉锚杆位于附加基础下部的土体中，以增加在上部建筑物受到弯矩时的抵抗力。

本发明所述基础梁上分别与主体基础和附加基础相连的两端设有斜筋，也可在所述基础梁内的钢梁采用狗骨式钢梁，该钢梁的狗骨式节点设在分别与主体基础和附加基础相连的两端处的钢梁上，以将基础梁的两端设为抗弯薄弱位置，同时保证抗剪承载能力，即在罕遇地震时的超常外加载荷下，该基础梁的两端先于其他部位出现塑性变形，即引导出现塑性铰，以及时将外力载荷所产生能量耗散掉，从而保证建筑物达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震目的。

基础梁两端出现塑性铰的原理如下(参见图5a、图5b)：

基础梁在罕遇地震作用下出现塑性变形，当发生塑性变形时，基础梁两端截面会绕中和轴做转动，类似于一个铰，由于此铰是在截面发生明显的塑性形变后形成的，故称其为塑性铰(或称结构铰)，塑性铰所能够承受的最大弯矩值即为塑性铰截面的极限弯矩。即某一截面出现塑性铰并不能使结构立即成为破坏结构，整体还能承受继续增加的荷载。当继续加荷载时，先出现塑性铰4的截面所承受的弯矩维持不变，产生转动，没有出现塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加，直到结构形成几何可变机构。塑性铰不是集中在一点，而是形成一小段局部变形很大的区域；塑性铰在钢筋屈服后形成，截面能承受一定的弯矩，但转动能力受到纵筋配筋率、钢筋种类和砼极限压应变的限制，配筋率越大或截面相对受压区高度越大，塑性铰转动能力越小。

与现有技术相比，本发明技术具有以下优点：

(1)附加基础、基础梁与原有的主体基础形成一个整体，共同受力，使整体的建筑构成一个力矩模型建筑，将上部建筑所受到的外力载荷通过该力矩模型合理地分担了主体基础所承受的外力载荷对上部建筑所形成的力矩，能大大改善建筑基础的受力性能，明显提高抗震性能；

(2)本发明所述的耗能钢筋混凝土基础充分利用钢筋混凝土结构的弹塑性材料特性，在保证附加基础和基础梁能够抵抗一般外力载荷的情况下，通过在基础梁的两端设置薄弱位置，让基础梁在受到罕遇地震时的外加载荷下的两端形成可变形的塑性铰，可以有效吸收地震作用所产生的能量，既提高了结构的抗震性能，又能显著减少基础的造价；

(3)本发明的基础施工方便，效率高。

附图说明

图1为常规独立基础的结构示意图；

图2为常规条形基础的结构示意图；

图3为常规筏板基础的结构示意图；

图4为常规箱型基础的结构示意图；

图5a为本发明实施例一钢筋混凝土基础的上方建筑物受逆时针弯矩作用时的受力示意图；

图5b为本发明实施例一钢筋混凝土基础的上方建筑物受顺时针弯矩作用时的受力示意图；

图6为本发明实施例一钢筋混凝土基础的立体结构示意图；

图7为本发明实施例一钢筋混凝土基础的主体基础一侧的基础梁配置斜筋的结构示意图；

图8为本发明实施例二钢筋混凝土基础的加设管桩的结构示意图；

图9为图8的主视图；

图10为本发明实施例三钢筋混凝土基础的附加基础为纵向对称、横向偏置的结构示意图；

图11为本发明实施例四钢筋混凝土基础的附加基础为纵向偏置、横向偏置并且每个附加基础配有三个基础梁的结构示意图；

图12为本发明实施例五钢筋混凝土基础为躲避障碍物而设置附加基础的结构示意图；

图13为本发明实施例六钢筋混凝土基础的多个基础梁合并为一个基础梁的结构示意图；

图14为本发明实施例七钢筋混凝土基础的附加基础水平位置高于主体基础水平位置的结构示意图。

图中；1.主体基础，2.基础梁，3.附加基础，4.塑性铰，5.管桩，6.斜筋，7.建筑物，8.抗拉锚杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步加以阐述。

实施例一

如图5a、图5b、图6-7所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之一，它包括支承上部建筑物7的主体基础1，附加基础3和基础梁2，附加基础3位于上部建筑物7投影下方的外侧，并通过基础梁2与主体基础1相连，主体基础1、附加基础3、基础梁2均采用钢筋混凝土施工制成。

如图5a所示，当建筑物7受外力载荷的合力F时，该外力载荷F以主体基础1承担上部建筑物7重力合力G_S的作用点为支点O相对于附加基础3是逆时针弯矩M_逆作用时，基础梁2作为一个刚臂，使附加基础3同时受力，此时附加基础3下方土体受压，相应地提供反力，反力的合力F_反乘上附加基础3距离主体基础1中心的距离(力臂)L即为附加基础3能提供的抵抗力距M_抗；反之，如图5b所示，当建筑物7受到的外力载荷F′以主体基础1承担上部建筑物7重力合力G_S的作用点为支点O相对于附加基础3是顺时针弯矩M_顺作用时，附加基础3和其上部土体的重力的合力F_抗乘上附加基础3距离主体基础1中心的距离(力臂)L即为附加基础3能提供的抵抗力距M_抗。主体基础1已经能满足上部建筑物7的自重G_S、使用载荷及外加的一般多遇地震作用和风载荷。

如图6所示，附加基础3为八个，每个附加基础配一个基础梁2，附加基础3对称设置在主体基础1周围，附加基础3分别通过各自相应的基础梁2与主体基础1相连，以使建筑物7的在不同方向均匀得到附加基础3的抗震力矩的支持。

本实施例中，基础梁2的跨高比为5，基础梁跨度L_跨为9m，基础梁2的截面宽度为400mm。主体基础1的高度比基础梁2的高度高600mm，附加基础3的高度比基础梁2的高度高100mm，主体基础1的宽度比基础梁2的宽度宽10m，附加基础3的宽度比基础梁2的宽度宽100mm，从而保证建筑的构造要求，以便基础梁2的施工及保证基础梁2的有效连接。

本实施例中，建筑物7受到了如图5b所示的顺时针弯矩M_顺的外部负载作用，则在附加基础3的钢筋混凝土中添加铁矿渣等重型骨料的配重，以增加建筑物7受到的顺时针弯矩时的抵抗力。

如图7所示，基础梁2上分别与主体基础1和附加基础3相连的两端设有斜筋6，以便将基础梁2的两端设为抗弯薄弱位置，同时保证抗剪承载能力，以便使得建筑物在遭遇罕见地震时，让基础梁2在地震产生的特大的外加载荷下，其两端相对其他部分更先出现塑性变形，引导出现塑性铰4(如图5-14中的斜线阴影部分)，从而能够及时将超常的外力载荷所产生的能量耗散掉，从而确保建筑物达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震目的。

本实施例钢筋混凝土基础的施工方法，包括以下步骤：

(1)施工钢筋混凝土主体基础1；

(2)根据主体基础1所承担的弯矩，在主体基础的周围施工钢筋混凝土附加基础3；

(3)施工在主体基础1和附加基础3之间连接传力的钢筋混凝土基础梁2，在基础梁2上与主体基础1和附加基础3相连的两端增加削弱点，以成为薄弱位置从而形成塑性铰。

实施例二

如图8-9所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之二，本实施例二与实施例一的不同之处在于：本实施例中的建筑物7因特定地理及环境的影响，外部负载以逆时针弯矩M_逆为主，因此，在附加基础3和主体基础1的底部均加设了管桩5，管桩5埋入附加基础3和主体基础1的下部土体中，以增加建筑物7受到的逆时针弯矩时的抵抗力。

本实施例中，将基础梁2内的钢梁设为狗骨式钢梁，该钢梁的狗骨式节点(即受力薄弱点/削弱点)设在分别与主体基础1和附加基础3相连的两端处的钢梁上，以引导出现塑性铰。

此外，本实施例中，基础梁2的跨高比为8，基础梁跨度L_跨为6m，基础梁2的截面宽度为600mm。主体基础1的高度比基础梁2的高度高1m，附加基础3的高度比基础梁2的高度高300mm，主体基础1的宽度比基础梁2的宽度宽15m，附加基础3的宽度比基础梁2的宽度宽200mm，有利于保证建筑的构造要求，以便于基础梁2的施工及保证基础梁2的有效连接。

实施例三

如图10所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之三，本实施例三与实施例一的不同之处在于：本实施例中，主体基础1的横向右侧土质条件较差，故需要加强建筑物7抵御顺时针弯矩M_顺的外部负载作用的能力，设置了六个附加基础3，每个附加基础配一个基础梁2，纵向的共四个附加基础3对称设置在主体基础1纵向两侧，横向左侧设两个附加基础3，形成纵向对称、横向偏置的形式，附加基础3分别通过各自相应的基础梁2与主体基础1相连，以避开横向一侧土质较差的区域，并在每个附加基础3和主体基础1的底部加设抗拉锚杆8，抗拉锚杆8锚入附加基础3和主体基础1下部的土体中，以增加建筑物7受到的顺时针弯矩时的抵抗力。

此外，本实施例中，基础梁2的跨高比为10，基础梁跨度L_跨为4m，基础梁2的截面宽度为800mm。主体基础1的高度比基础梁2的高度高2m，附加基础3的高度比基础梁2的高度高400mm，主体基础1的宽度比基础梁2的宽度宽12m，附加基础3的宽度比基础梁2的宽度宽300mm，有利于保证建筑的构造要求，并便于基础梁2的施工及保证基础梁2的有效连接。

实施例四

如图11所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之四，本实施例四与实施例三的不同之处在于：本实施例中，建筑物的重心在横向和纵向一侧倾斜，故在建筑物重心倾斜的反方向的主体基础1两侧面处分别设置较长的一个横向附加基础3和较长的一个纵向附加基础3，形成纵向偏置、横向偏置的形式，即共设置两个附加基础3，每个附加基础3配三个基础梁2，附加基础3分别通过各自相应的基础梁2与主体基础1相连，以抵抗建筑物重心偏移所产生的附加载荷。

同时，本实施例中为增强基础梁2的刚度，在基础梁2内埋设型钢，型钢的总截面积占基础梁2截面积的比率为3％，以加强基础梁2的抗弯强度，抵抗建筑物的重心偏移。

实施例五

如图12所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之四，本实施例五与实施例四的不同之处在于：本实施例中，主体基础1横向右侧及纵向下侧的土质条件很差，且主体基础1横向左侧及纵向上侧的土体内有障碍物，因此，在该主体基础1横向左侧及纵向上册设置附加基础时需要考虑避开障碍物，故在主体基础1横向及纵向土质较好的两侧面分别避开障碍物设置两个附加基础3，对每个附加基础3配置一个基础梁2，两基础梁2之间形成空隙避开障碍物。此时由于障碍物导致基础梁2截面积受到限制，为满足刚度要求，则在基础梁2内埋设型钢，型钢的总截面积占基础梁2截面积的比率为5％，以便使基础梁横截面受限的情况下加强基础梁2的抗弯强度。

实施例六

如图13所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之六，本实施例六与实施例五的不同之处在于：本实施例中，因特定地理环境的限制，主体基础1周围所设置的附加基础3距离主体基础1较近，故可将多个基础梁(如图11所示)合并为一个大的基础梁2(如图13所示)，此时，基础梁2的跨高比为5，基础梁跨度L_跨为1m，基础梁2的截面宽度为2.5m。主体基础1的高度比基础梁2的高度高100mm，附加基础3的高度比基础梁2的高度高800mm，主体基础1的宽度比基础梁2的宽度宽3m，附加基础3的宽度比基础梁2的宽度宽500mm，以便于基础梁2的施工及保证基础梁2的有效连接。

实施例七

如图14所示的一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础是本发明的实施例之七，本实施例七与实施例三的不同之处在于：本实施例中，可设置附加基础3的下部土体较为坚硬，不易挖掘，则将附加基础3的水平位置设置成高于主体基础1的水平位置，以经济有效地施工设置基础梁2和附加基础3。

同时，本实施例中为增强基础梁2的刚度，在基础梁2内埋设型钢，型钢的总截面积占基础梁2截面积的比率为8％，以加强基础梁2的抗弯强度。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的变化与变型，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖，如附加基础3也可采用灌注桩等进行加强，达到附加基础3提供足够抗力的目的。

Claims (8)

1.一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，包括承担上部建筑物（7）的基础，称为主体基础（1），其特征在于：还增设有附加基础（3）和基础梁（2），所述附加基础（3）位于上部建筑物（7）下方外侧，并通过基础梁（2）与主体基础（1）相连，所述基础梁（2）上分别与主体基础（1）和附加基础（3）相连的两端设有斜筋（6），以将基础梁的两端设为抗弯薄弱位置。

2.根据权利要求1所述的可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，其特征在于：所述附加基础（3）至少为二个，每个附加基础（3）至少配有一个基础梁（2），所述附加基础（3）对称设置在主体基础（1）周围，所述附加基础（3）分别通过各自相应的基础梁（2）与主体基础（1）相连，以使建筑物的在不同方向均匀得到附加基础的抗震力矩的支持。

3.根据权利要求2所述的可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，其特征在于：所述基础梁（2）的跨高比在5～10的范围内选择，所述基础梁（2）的截面宽度大于等于400mm，以利于保证基础梁的有效线刚度。

4.根据权利要求3所述的可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，其特征在于：所述基础梁（2）内埋设有型钢，所述型钢的总截面积占基础梁（2）截面积的比率在2%～8%的范围内选择，以加强基础梁的抗弯强度。

5.一种可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，包括承担上部建筑物（7）的基础，称为主体基础（1），其特征在于：还增设有附加基础（3）和基础梁（2），所述附加基础（3）位于上部建筑物（7）下方外侧，并通过基础梁（2）与主体基础（1）相连，所述基础梁（2）内的钢梁采用狗骨式钢梁，该钢梁的狗骨式节点设在分别与主体基础（1）和附加基础（3）相连的两端处的钢梁上，以将基础梁的两端设为抗弯薄弱位置。

6.根据权利要求5所述的可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，其特征在于：所述附加基础（3）至少为二个，每个附加基础（3）至少配有一个基础梁（2），所述附加基础（3）对称设置在主体基础（1）周围，所述附加基础（3）分别通过各自相应的基础梁（2）与主体基础（1）相连，以使建筑物的在不同方向均匀得到附加基础的抗震力矩的支持。

7.根据权利要求2或3或4或6所述的可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，其特征在于：所述附加基础（3）中加设有配重，以增加在上部建筑受到的顺时针弯矩（M_顺）时的抵抗力。

8.根据权利要求7所述的可提高抗震能力的钢筋混凝土基础，其特征在于：所述附加基础（3）的底部加设有管桩（5）或抗拉锚杆（8），所述管桩（5）或抗拉锚杆（8）位于附加基础下部的土体中，以增加在上部建筑物受到弯矩时的抵抗力。

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