某舊廠房改造中的聯合基礎加固設計分析

范 康

(中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710054)

1 概述

我國現行的國家規范、標準及相關文獻中，對單柱擴展基礎有基本的理論、設計方法及構造要求等［1］。在獨立擴展基礎分析中，基于彈性理論分析，在豎向荷載作用下的基礎，如圖1a)所示，其基底應力分布并不均勻，實際的應力分布取決于基礎自身的剛度和下部受力層土體。根據中國建筑科學研究院對豎向荷載作用下基礎不同寬高比的板的力學試驗分析，基于試驗結果，對基礎臺階高寬比不大于2.5的獨立柱基可采用基底反力直線分布進行內力分析，如圖1b)所示。

圖1 基礎底面應力分布圖

雙柱聯合基礎的設計，我國現行建筑地基基礎設計規范沒有具體的規定。國內外對雙柱聯合基礎都有相關試驗研究［2，3］，對于矩形聯合基礎有一個基本假定:聯合基礎是剛性構件?；谶@個的假定，結合我國現行設計規范進行必要的修正，雙柱聯合基礎的一種近似計算方法計算要點是［4］:

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

2)分別對兩柱柱下進行基礎受沖切承載力及受剪承載力驗算，以確定基礎高度。

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

2 工程概況

某鋼筋混凝土結構舊工業廠房，為雙跨雙坡形式，屋架為預應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立基礎。廠房單跨跨度為24 m，縱向軸距為6 m，柱頂標高為7.2 m。

現根據生產需要擬對其進行改造加固后再利用。根據設計方案，擬在廠房內部其中一跨內新建二層鋼框架結構，框架柱采用箱形截面柱，梁為焊接H型鋼。改造項目所在地的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，為保證原混凝土結構廠房與新建鋼框架結構抗震體系的協調，新建結構地上部分與原結構相互獨立，新建鋼框柱與舊廠房混凝土柱之間設置抗震縫，縫寬150 mm;結構布置如圖2所示。

圖2 舊廠房加固改造結構布置示意圖

為滿足功能需求，新建鋼框架結構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，新舊基礎相互影響?；诂F有設計條件及相關理論，結合雙柱聯合基礎設計方法，對新舊結構雙柱聯合基礎加固設計方法進行分析，滿足設計要求，完成改造工作。

3 新舊結構聯合基礎加固設計方法

根據雙柱聯合基礎的設計方法，對新舊結構共用基礎的加固方法進行分析。共用新基礎需要進行地基承載力計算、地基變形計算、基礎受沖切承載力驗算、受剪承載力驗算以及底板配筋設計。

3.1 地基加固與承載力驗算

對于加固改造項目，原結構基礎與地基已經相對穩定。地基承載力及變形計算時需要根據新舊結構受力特點、基礎形式、施工條件綜合考慮。常用的地基基礎加固方法有很多種，如基礎補強注漿加固法、加大基礎底面積法、加深基礎法、錨桿靜壓樁法、樹根樁法等［5］。

結合本工程實際情況，當新增加部分荷載不大時，盡量利用原地基持力層作為加固基礎的持力層，通過增大基底截面法，使加固后基礎底面的平均壓力接近原基礎基底壓力。確定基礎底面形心的位置，盡可能使其與兩柱傳給基礎的荷載的合力作用點相重合，基底反力呈均勻分布或梯形分布。這種加固方法施工簡單，對原結構影響小，地基變形可控。

3.2 基礎受沖切承載力及受剪承載力驗算

基礎受沖切承載力及受剪承載力與基礎截面高度呈線性關系，加大基礎高度可以顯著增大基礎受沖切承載力及受剪承載力。

3.3 基礎梁板配筋復核與加固

新舊結構共用基礎基于聯合基礎設計理論，需要根據結構布置構建合理的分析模型。根據新建鋼框架柱與原廠房柱之間的位置關系及荷載大小，分別采用不同的基礎形式。當柱間距較小時，擬采用錐形聯合基礎;當柱間距較大時，可采用梁式聯合基礎。重新計算聯合基礎配筋并校核原底板配筋［6］。

4 新舊結構聯合基礎加固方案

4.1 錐形聯合基礎加固方案

當柱間距較小時，采用錐形聯合基礎，如圖3所示。新增鋼框架柱與原排架柱在地面以下、基礎以上部分形成剛度較大的聯合短柱，根據其受力特點，可以采用獨立擴展基礎計算原理分析聯合錐形基礎的內力。

圖3 錐形聯合基礎加固

根據兩柱傳給基礎的荷載及地基承載力特征值，確定基礎底面積及底板寬度a2的尺寸，盡量使荷載作用點與基礎底面形心相重合，基底反力均勻分布且不大于原基底反力設計值。驗算基礎受沖切承載力及受剪承載力，復核聯合基礎高度h1，h2;為了減少對原基礎的破壞，降低施工難度，可以適當加大基礎高度，使聯合基礎底板配筋與原基礎底板鋼筋相同。加固后的底板配筋應符合最小配筋率的要求。

聯合基礎短柱外圍箍筋應根據兩柱荷載大小計算，配筋應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配置縱向鋼筋，以滿足特殊工況下兩柱間的內力。

4.2 梁式聯合基礎加固方案

當柱間距較大時，可采用梁式聯合基礎，如圖4所示。新增鋼框架柱與原排架柱間距較大，梁式基礎受力類似于倒樓蓋模型。兩柱之間基礎梁上部會出現較大的正彎矩，兩柱之外懸挑部分有較大的負彎矩。當基礎高度不小于1/6柱距時，基底反力可按直線分布，可采用連續梁模型計算內力。

根據兩柱傳給基礎的荷載及地基承載力特征值，盡量使荷載作用點與基礎底面形心相重合，基底反力直線均勻分布，確定基礎底面積及底板寬度a3的尺寸。

圖4 梁式聯合基礎加固

根據連續梁受力特點，基礎暗梁應在柱兩側盡量設置懸挑，以平衡柱底彎矩并減小柱間正彎矩值。梁式聯合基礎高度h根據基礎內力計算，并滿足構造要求?；A高度可以保證基礎具有足夠的剛度抵抗基礎變形，調節兩柱荷載，保證基底反力呈線性均勻分布?；A配筋根據內力計算結果在基礎頂部與底部配置必要的鋼筋并滿足構造要求。

5 結語

1)改造項目中新舊結構柱的荷載與位置與聯合基礎選型關系較大，新建結構方案布置時應充分考慮現場條件、荷載大小及結構形式，采用合理的基礎加固方案，保證加固設計的安全性、施工可行性及經濟性。

2)錐形聯合基礎與梁式聯合基礎加固設計方法都是基于基礎剛性假定，設計中應控制基礎寬高比，保證基礎剛度，滿足基底反力呈線性均勻分布的設計條件。

3)本文基于某舊廠房加固改造項目的實例給出了雙柱聯合基礎設計的兩種方案及適用條件，可為同類工程提供必要的參考。但是新舊建筑聯合基礎加固設計較為復雜，受到各種外界條件影響，設計時應充分考慮各種不利因素，因地制宜，合理分析，滿足設計要求。