柱下钢筋混凝土独立基础课程设计.doc

第一部分 课程设计任务书

（一）设计题目：
柱下钢筋混凝土独立基础
（二） 设计资料：
1、 地形：拟建建筑场地平整
2、 工程地质资料：自上而下依次为：
①杂填土：厚约0.5m，含部分建筑垃圾；
②粉质粘土：厚1.2m，软塑，潮湿，承载力特征值fak=130KN/m2；
③粘土：厚1.5m，可塑，稍湿，承载力特征值fak=180KN/m2；
④全风化砂质泥岩：厚2.7m,承载力特征值fak=240KN/m2；
⑤强风化砂质泥岩：厚3.0m,承载力特征值fak=300KN/m2；
⑥中风化砂质泥岩：厚4.0m,承载力特征值fak=620KN/m2；
地基岩土物理力学参数表 表2.1

地
层
代
号

土
名
天然地基土
重度（γ）
孔隙比
（e）
凝聚力
（c）
内摩
擦角
（Φ）
压缩
系数
(a1-2)
压缩
模量
（Es）
抗压
强度
（frk）
承载力特征值
（fak）
KN/m³

度

①
杂填土
18

②
粉质粘土
20
0.65
34
13
0.20
10.0

130
③
粘土
19.4
0.58
25
23
0.22
8.2

180
④
全风化砂质泥岩
21

22
30

0.8
240
⑤
强风化砂质泥岩
22

20
25

3.0
300
⑥
中风化砂质泥岩
24

15
40

4.0
620

3、水文资料为：
地下水对混凝土无侵蚀性。
地下水位深度：
位于地表下1.5m。
4、上部结构资料：
上部结构为多层全现浇框架结构，室外地坪标高同自然地面，室内外高差450mm。柱网布置见下图：

图2-1 柱网平面图
上部结构作用在柱底的荷载标准值见表2：
上部结构作用在柱底的荷载效应基本组合设计值见表3：
柱底荷载标准值 表2
题号
Fk (KN)
Mk (KN•m)
Vk (KN)
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
1
975
1548
1187
140
100
198
46
48
44
2
1032
1615
1252
164
125
221
55
60
52
3
1090
1730
1312
190
150
242
62
66
57
4
1150
1815
1370
210
175
271
71
73
67
5
1218
1873
1433
235
193
297
80
83
74
6
1282
1883
1496
257
218
325
86
90
83
7
1339
1970
1560
284
242
355
96
95
89
8
1402
2057
1618
231
266
377
102
104
98
9
1534
2140
1677
335
288
402
109
113
106
10
1598
2205
1727
365
309
428
120
117
114

柱底荷载效应基本组合设计值 表3
题号
F (KN)
M (KN•m)
V (KN)
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
1
1268
2012
1544
183
130
258
60
62
58
2
1342
2100
1627
214
163
288
72
78
67
3
1418
2250
1706
248
195
315
81
86
74
4
1496
2360
1782
274
228
353
93
95
88
5
1584
2435
1863
306
251
386
104
108
96
6
1667
2448
1945
334
284
423
112
117
108
7
1741
2562
2028
369
315
462
125
124
116
8
1823
2674
2104
391
346
491
133
136
128
9
1995
2783
2181
425
375
523
142
147
138
10
2078
2866
2245
455
402
557
156
153
149

5、材料：混凝土等级Ｃ25~C30，钢筋Ⅰ、Ⅱ级。
6、根据以上所给资料及学生人数，可划分为若干个组。
如：第1组共十人，基础持力层选用③土层，设计 A轴柱下独立基础；
第2组共十人，基础持力层选用④土层，设计 B轴柱下独立基础；
第3组共十人，基础持力层选用③土层，设计 C轴柱下独立基础；
（三） 设计要求：
　　 每人根据所在组号和题号，完成各自要求的轴线基础设计。对另外两根轴线的基础，只要求根据所给荷载确定基础底面尺寸。
（四）设计内容
１、设计柱下独立基础，包括确定基础埋深、基础底面尺寸，对基础进行结构的内力分析、强度计算，确定基础高度、进行配筋计算，并满足构造设计要求，编写设计计算书。
２、绘制基础施工图，包括基础平面布置图、基础大样图，并提出必要的技术说明。

基础及地层情况

一、本次设计所用材料报表
基础材料清单

柱A-2
柱B-2
柱C-2
砼标号
C25
C25
C25
钢筋型号

HPB235

垫层

C10

材料性能说明

ft
fc
fy
C25
1.27MPa
11.9MPa

HPB235

210MPa

二、C-2柱基础的设计
（1）、确定基础埋深d
根据设计要求，基础持力层为土层③，故假定d=2500mm
由地勘资料中e=0.58，可塑土：0.25<IL<0.75,查表（3-4），得ηb=0.3, ηd=1.6。仅对深度进行修正：
γm=18*0.45+0.5+20+10*0.2+19.4*0.352.5=18.356kN/m3
fa=fak+ηdγmd-0.5=180+1.6*18.356*2.5-0.5=238.74 kpa
(2)、初拟地基尺寸b x l
①Fk=1252kN, fa=238.74 kpa
γGH=20*1.5+0.452+10*0.2+20*0.35=43.5 kpa
A≥Fkfa-γGH=1252238.74-43.5=6.4m2,取A1=6.5m2
②令A=1.2A1=7.8 m2
拟定底面尺寸b x l=3000mm x 3400mm, A=10.2 m2
Gk=γGHA=43.5*10.2=443.7 kN
Mk=221+52*(2.5-0.45/2)=339.3 kN/m
Wl=16lb2=16*3.4*32=5.1 m3
(3)、持力层强度检算
Pk max=Fk+GkA+MkWl=1252+443.710.2+339.35.1=232.78 kpa<1.2fa=1.2*238. =286.49 kpa
Pk min=Fk+GkA-MkWl=1252+443.710.2-339.35.1=99.7 m3>0
Pk=Pk max+Pk min2=232.78+99.7 2=166.24kpa<fa=238.74 kpa
故持力层强度满足要求。
（4）、基底净反力的计算
Pj maxj min=FA±MWl=162710.2±288+67*2.2755.1=245.87 kpa73.15 kpa
(5)、确定基础高度。
初拟基础高度h=600 mm。按照《地基规范》要求，铺设垫层时保护层厚度不小于40mm，因此可假设基础重心到混凝土外表面距离为50mm。故钢筋的有效高度为h0=600-50=550mm。
ab=at+2h0=500++2*550=1600 mm<l=3400 mm
am=at+ab2=500+16002=1050 mm
Al=b2-bt2-h0l-(l2-at2-h0)2=30002-5002-550*3400-(34002-5002-550)2=1.57 m2
Fl=Pj max*Al=245.87*1.57=386.01 kN
∵h=600 mm<800 mm,故Βhp=1.0，基础混凝土采用C25，ft=1.27 MPa
∴0.7βhpftamh0=0.7*1.0*1.27*103*1.05*0.55=513.4 kN
∵Fl<0.7βhpftamh0
∴h=600mm时，能够满足抗冲切要求。
⑹基础底板配筋计算

地基样图

基底净反力

平面图
①内力计算
∵偏心距e=MkFk+Gk=221+52*2.2751252+443.7=0.2 m<16b=0.5 m
台阶宽高比为b-bc2h=3000-5002*300=2.08<2.5
∴可以按照公式（3-51）以及（3-52）计算弯矩。
aⅠ=1250 mm, a'=500 mm b'=500 mm
MⅠ=112aⅠ22l+a'Pj max+PⅠ+Pj max-PⅠl=112*1.252*2*3.4+0.5*245.87+173.9+245.87-173.9*3.4=430.86 kN m
MⅡ=148l-a'22b+b'Pj max+Pj min=1483.4-0.522*3+0.5*245.87+73.15=363.32 kN m
②根据《混凝土设计原理》，按照悬臂梁假设，对锥形地基进行配筋。
沿长边方向配筋：MⅡ=363.32 kN m

沿长边方向配筋图
第一步：截面类型判别
α1fcb2h1h0-h12+12α1fcb1-b2h0-23h1h1=1*11.9*600*300*550-3002+12*1*11.9*3000-600+550-23*300*300=856.92*106N mm=856.92 kN m>MⅡ=363.32 kN m
属于第一类截面，即中和轴位于梯形内。
第二步：根据两个平衡方程解出混凝土受压区高度X与钢筋截面面积AsⅡ。
根据弯矩平衡列等式有：
　　MⅡ＝Mｕ＝α1fcb2ｘh0-ｘ2＋α1fcｂ１-ｂ２ｘ２２ｈ１（h0-２ｘ３）　　即
　　363.32*106＝1*11.9*600*x550-x2+1*11.9*24002*300x2(550-2x3) 运用软件Mathematic 求解一元三次方程，解得x=68.2608 mm< 300 mm ,符合受压面积位于梯形面内的假设。
又根据力平衡列等式有：
α1fcb2x+b1-b2x22h1=fyAsⅡ 即
1*11.9*600x+24002*300x2=210*AsⅡ 将x=68.2608 mm带入左式得
AsⅡ=3377mm2
按照悬臂梁假设进行配筋，选用26Φ14@110 (钢筋截面面积为AsⅡ'=4001.4mm2)。
检核：
锥形基础截面面积A=12*600+3000*300+300*3000=1.44*106mm2
ρ=AsⅡ'A=4001.41.44*106=0.28%>ρmin=0.27% 非少筋，符合要求。
由于沿长边方向配置的钢筋，通常位于基础底部，按照构照要求，保护层厚度a不小于40mm，于是h0Ⅱ=h-a-12dⅡ=600-40-12*14=553 mm>550 mm 显然上述配筋是可以的。

沿短边方向配筋：MⅠ=430.86 kN m

沿短边方向配筋图
第一步：截面类型判别
按照前述方法计算，可以得知属于第一类截面，即中和轴位于梯形内。
第二步：根据两个平衡方程解出混凝土受压区高度X与钢筋截面面积AsⅠ。
根据弯矩平衡列等式有：
　MⅠ＝Mｕ＝α1fcb2ｘh0-ｘ2＋α1fcｂ１-ｂ２ｘ２２ｈ１（h0-２ｘ３）　　即
　　430.86*106＝1*11.9*600*x550-x2+1*11.9*28002*300x2(550-2x3) 运用软件Mathematic 求解一元三次方程，解得x=75.031 mm< 300 mm ,符合受压面积位于梯形面内的假设。
又根据力平衡列等式有：
α1fcb2x+b1-b2x22h1=fyAsⅠ 即
1*11.9*600x+28002*300x2=210*AsⅠ 将x=75.031 mm带入左式得
AsⅠ=4040mm2
按照悬臂梁假设进行配筋，选用29Φ14@120 (钢筋截面面积为AsⅡ'=4463.1mm2)。
检核：
锥形基础截面面积A=12*600+3000*300+300*3400=1.62*106mm2
ρ=AsⅡ'A=4463.11.62*106=0.28%>ρmin=0.27% 非少筋，符合要求。
h0Ⅱ=h-a-dⅡ-12dⅠ=600-40-14-12*14=539 mm

基础大样图

三、A-2柱的基底尺寸设计（该柱与C-2柱同属于边柱）
（1）、确定基础埋深d
根据设计要求，基础持力层为土层③，故假定d=2500mm
由地勘资料中e=0.58，可塑土：0.25<IL<0.75,查表（3-4），得ηb=0.3, ηd=1.6。仅对深度进行修正：
γm=18*0.45+0.5+20+10*0.2+19.4*0.352.5=18.356kN/m3
fa=fak+ηdγmd-0.5=180+1.6*18.356*2.5-0.5=238.74 kpa
(2)、初拟地基尺寸b x l
①Fk=1032kN, fa=238.74 kpa
γGH=20*1.5+0.452+10*0.2+20*0.35=43.5 kpa
A≥Fkfa-γGH=1032238.74-43.5=5.29m2
②令A=1.2A1=6.35 m2
拟定底面尺寸b x l=2800mm x 3000mm, A=8.4m2
Gk=γGHA=43.5*8.4=365.4kN
Mk=164+55*(2.5-0.45/2)=289.125 kN/m
Wl=16lb2=16*3*2.82=3.92 m3
(3)、持力层强度检算
Pk max=Fk+GkA+MkWl=1032+365.48.4+289.1253.92 =240.11 kpa<1.2fa=1.2*238. =286.49 kpa
Pk min=Fk+GkA-MkWl=1032+365.48.4-289.1253.92=92.6 m3>0
Pk=Pk max+Pk min2=240.11+99.7 2=166.36kpa<fa=238.74 kpa
故持力层强度满足要求。

四、B-2柱的基底尺寸设计（该柱为内柱）
（1）、确定基础埋深d
根据设计要求，基础持力层为土层③，故假定d=2500mm
由地勘资料中e=0.58，可塑土：0.25<IL<0.75,查表（3-4），得ηb=0.3, ηd=1.6。仅对深度进行修正：
γm=18*0.5+20+10*0.2+19.4*0.352.5=15.116kN/m3
fa=fak+ηdγmd-0.5=180+1.6*15.116*2.5-0.5=211.832 kpa
(2)、初拟地基尺寸b x l
①Fk=1615kN, fa=211.832 kpa
γGH=20*1.5+10*0.2+20*0.35=39 kpa
A≥Fkfa-γGH=1615211.832-39=9.34m2
②令A=1.2A1=11.28 m2
拟定底面尺寸b x l=3400mm x 3600mm, A=12.24m2
Gk=γGHA=39*12.24=477.36kN
Mk=125+60*2.5=275 kN/m
Wl=16lb2=16*3.6*3.42=6.936 m3
(3)、持力层强度检算
Pk max=Fk+GkA+MkWl=1615+477.3612.24+2756.936 =210.59 kpa<1.2fa=1.2*211.832 =254.2 kpa
Pk min=Fk+GkA-MkWl=1615+477.3612.24-2756.936 =131.3 m3>0
Pk=Pk max+Pk min2=210.59+131.3 2=170.95kpa<fa=211.832 kpa
故持力层强度满足要求。
五、参考文献
【1】吴兴序主编. 基础工程. 西南交通大学出版社
【2】沈蒲生主编. 混凝土设计原理（第3版）. 高等教育出版社
【3】赵凯、薛国亚. 浅议独立基础和桩基承台底板配筋近似公式. 2007
【4】刑富冲. 一元三次方程求解新探. 2003