上海单建人防地下车库基础底板优化设计

结　构　工　程　师StructuralEngineers

Vol.23,No.4Aug.2007

上海单建人防地下车库基础底板优化设计

冯　星

(上海民防建筑研究设计院有限公司,上海200032)

摘　要　对单建人防地下车库基础底板优化设计进行了探究。依据优化设计理论,建立了基础底板优

化模型,以底板(包括底板梁)、承台和基桩三者的材料总造价为目标函数,重点考虑结构类型和人防荷载对目标函数的影响。根据上海6级单建人防地下车库特点和现行人防设计规范要求进行优化分析,结合具体工程实例比较桩基础和筏板基础的基础底板工程造价,最后得出优化结论:对上海6级单建人防地下车库基础底板,桩基础形式优于筏板基础形式。关键词　人防地下车库,优化设计,桩基,筏基

OptimizationDesignofAirDefenceUndergroundGarageMatsinShanghaiFENGXing(ShanghaiCivilDefenceArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,LTD,Shanghai200032,China)

Abstract　Becauseofthebignuclearexplosiveload,theoptimizationdesignofcivildefenceworksisneces2sary.Thetopflooroptimizationdesignoftheundergroundgarageisstudiedalot,butthematislittle.Optimi2zationmodelofthematisformedandanalyzed.Detailedoptimizationprocessbasedonrealcaseisgivenandoptimizationconclusioniseducedthatthepilefoundationisbetterthantheraftfoundation.Keywords　airdefenceundergroundgarage,optimizationdesign,pilefoundation,raftfoundation

函数(即设计变量的函数),用数学手段求出满足

1　前　言

人防工程由于要承受核爆荷载作用,结构构

件截面大,钢筋数量多,优化设计很有必要。目前对地下车库顶板优化设计的研究很多,但对基础底板的研究却甚少。本文依据优化理论,结合上海工程特点,对6级单建人防地下车库基础底板优化设计进行探究。

全部约束条件且目标函数为最小或最大的设计变量的一种设计方法。结构优化从易到难分为4个层次:①结构构件截面尺寸优化;②结构形状优化;③结构拓扑优化;④结构类型优化。2.2　优化模型建立

1)目标函数

minP=K1V1(X)+K2V2(X)+K3V3(X)

　　2)优化变量

2　单建人防地下车库基础底板优化设计

2.1　优化设计相关理论

X=(x1,x2,x3,x4,x5)

T

　　3)约束条件

B1(X)≤[B1]B2(X)≤[B2]B3(X)≤[B3]B4(X)≤[B4]

结构优化设计就是将全部设计限制作为约束

条件,通过设计变量或性能变量的一组不等式表示出来,把最能反映主要设计变量的量作为目标

收稿日期:2006-11-07

・地基基础・

式中　K1———底板(包括底板梁)价格系数;

　K2———承台价格系数;　K3———基桩价格系数;　V1———底板(包括底板梁)材料用量;

　V2———承台材料用量;　V3———基桩材料用量;　x1———结构类型;　x2———结构构件布置;　x3———结构构件形状;

・75・

结构工程师第23卷第4期　

计规范》,6级人防工程底板人防荷载取值应满足

以下条件:①当采用桩基础时,底板承受的核武

2

器爆炸等效静荷载标准值为25kN/m;②当采用筏板基础时,底板承受的核武器爆炸等效静荷

2

载标准值为40～70kN/m。所以,从定性来说,桩基础优于筏板基础。以下工程实例从定量方面分别对两类基础的V1,V2,V3进行计算,经比较得出minP。

　x4———结构构件截面尺寸;　x5———结构承受的外荷载、工程地质及材

料种类等外部条件;

　B1———平时工况结构承载力;　B2———平时工况结构变形;　B3———战时工况结构承载力;　B4———战时工况结构延性;　[B1]———平时工况结构承载力要求;　[B2]———平时工况结构变形要求;　[B3]———战时工况结构承载力要求;　[B4]———战时工况结构延性要求。2.3　优化分析

3　基础底板优化实例

3.1　工程概况

上海嘉定区江桥镇嘉城三期6级单建人防地

2

下车库为地下1层,建筑面积约为6000m(图1)。顶板覆土0.8～1.6m,埋深5.0m,最大柱网为8.0m×8.0m,顶板结构为无梁板结构体系(图2)。部分设计参数取值:低水位取地表下1.5m,高水位取地表下0.5m;承载力计算取1.6m深的土,抗浮计算取0.8m深的土;路面活荷载

5.0kN/m,车库内活荷载4.0kN/m;顶板人防

2

2

上海地区6级单建人防地下车库多为地下1层或地下2层,埋深约为3.5～9.0m,顶板上覆土约为0.3～2.0m,基础底板通常位于第3层或第4层软土层。上海地区水位较高,当车库靠自重不能抵抗浮力时,工程中一般采用抗拔桩来满足抗浮要求。

对车库底板进行优化设计,优化变量参数较多。全面分析优化变量X对目标函数P的影响比较复杂,本文重点研究x1(结构类型)和x2(人防荷载)对目标函数的影响。

核武器爆炸能量通过空气及土介质传递到人防工程上,人防工程结构设计将此以外荷载形式考虑。设计必须保证结构体系能够承受此荷载作用,设计方法通常采用等效静载法。竖向荷载通过顶板结构体系、墙柱竖向结构体系向下传递,再通过基础体系向地基土扩散。

人防工程基础体系有桩基础和筏板基础。基桩作为竖向承压构件,能充分发挥材料性能,并将竖向荷载有效地传递到地基土;筏板基础是将墙柱传来的竖向荷载通过筏板的抗弯和抗剪传递到地基土,受力性能和荷载传递效率均不如桩基础。并且,根据GB50038—2005《人民防空地下室设

等效静载65kN/m,桩基时底板人防等效静载25

2

kN/m,筏板基础时底板人防等效静载55kN/2

m;混凝土C30,钢筋HPB235和HRB335。按两种基础类型,在满足平时工况和战时工况要求前提下,分别对8.0m×8.0m标准单元进行底板构件计算。为方便比较,同类结构构件取相同截面尺寸,桩均采用预制桩,型号JAZHb—230—1010B。

3.2　基桩计算公式

2

图3为桩基础底板平面图(局部)。图4为筏板基础底板平面图(局部)

根据DGJ08—11—1999《上海地基基础设计规范》,单桩竖向承载力Rd设计值计算如下:

RskRpkUpρfsilifpApγsγp

式中　Up———桩截面周长(m);

fsi———桩周第i层土的极限摩擦阻力标准

值(kPa);fp———桩端处土的极限端阻力标准值

(kPa);

li———第i层土的厚度(m);

Ap———桩端横截面面积(m);

2

Rd=

γs

+

γp

=+

γs———总侧摩阻力的分项系数;

StructuralEngineersVol.23,No.4・76・

Foundation　

γ——桩端阻力的分项系数。p—

图1　地下车库结构平面图R′d=

Up

γs

6λf

isii

l+Gp

式中　Up———桩截面周长(m);

γ　——桩的抗拔承载力分项系数,一般取s—

1.6;

　fsi———桩周第i层土的极限摩擦阻力标准值

(kPa);　li———桩周第i层土的厚度(m);λi—　——桩周第i层土的抗拔承载力系数,砂土为0.50,黏性土和粉土为0.60;　Gp———单桩自重设计值,自重分项系数取

1.0,地下水位以下应扣除浮力,浮力

分项系数取1.2。

3.3　计算结果比较

图2　地下车库剖面示意图

两种基础8m×8m单元构件计算结果比较见表1。

　表1

基础类型底板

8m×8m单元构件计算结果比较

桩基础

h=400,钢筋—<16@120,

筏板基础

h=400,钢筋—<18@120,双层双向

700×800,上部纵筋

18<25,下部纵筋21—<25,—

双层双向

700×800,上部纵筋

11<25,下部纵筋13<25,—

底板梁

箍筋<10@100(4)

桩

7根桩,型号JAZHb—230—1010B

h=850,钢筋—<12@120,

箍筋<10@100(6)

5根桩,型号JAZHb———

230———1010B

图3　桩基础底板平面图(局部)

承台

　　单桩竖向抗拔承载力R′d设计值计算如下:

双层双向

无

・地基基础・

・77・

　表3

材料底板混凝土底板钢筋底板梁混凝土底板梁钢筋

桩

结构工程师第23卷第4期　

筏板基础

用量

25.6m35.115t(<16)

—

单价

275.95元/m33203元/t275.95元/m33182元/t3352元/t1000元/m3

合计/元

7064.3216383.351236.267668.621984.38900043336.93

4.48m3

纵筋2.41t(—<25)箍筋0.592t(<10)

5根,9.0m3

图4　筏板基础底板平面图(局部)

总计

3.4　两种基础形式8m×8m单元底板经济指

　　从表2和表3可知,此工程中采用桩基础设计比采用筏板基础设计节约10%的材料造价,前

者经济指标优于后者。

标比较

根据上海建筑建材业网站得到的相关材料价格,计算两种基础的底板经济指标(表2、表3)。

　表2

材料底板混凝土底板钢筋底板梁混凝土底板梁钢筋

桩承台混凝土承台钢筋

4　结　论

根据上海6级单建人防地下车库特点和现行人防设计规范要求进行优化分析,结合具体工程实例比较桩基础和筏板基础的基础底板工程造价,最后得出优化结论:对上海6级单建人防地下车库基础底板,桩基础形式优于筏板基础形式。

8m×8m单元桩基础底板造价

用量

25.6m33.36t(—<16)4.48m3单价

275.95元/m33202元/t275.95元/m33182元/t3352元/t1000元/m3275.95元/m33343元/t

合计/元

7064.3210758.721236.264900.281307.28126001186.59267.4439320.89

纵筋1.54t(—<25)箍筋0.39t(<10)

7根,12.6m3

4.3m30.08t(<12)

—

参考文献

[1]　刘夏石.工程结构优化设计[M].北京:科学出版

社,1984.

[2]　钱令希.关于结构力学发展的思考[J].计算结构

总计

力学及其应用,1994,11(1).