韩　雷　（湖北天一建筑设计有限公司，湖北　武汉　430059）

柱下独立基础冲剪破坏的设计建议

韩雷（湖北天一建筑设计有限公司，湖北武汉430059）

文章通过对柱下独立基础冲切与剪切破坏机理的分析，并结合实际工程的设计方法，提出独立基础的设计建议。

独立基础；冲切；剪切；设计

1　概述

柱下独立基础是工程中一种常见的天然基础，以其形式简单、经济节约、施工方便等优点被广泛采用。柱下独立基础常见的破坏形式可以分为冲切破坏和剪切破坏。这两种破坏形式的机理很类似，很多设计人员对冲切与剪切的概念并没有充分的理解，在设计时往往依赖于结构设计软件。但是软件毕竟不是万能的，如果设计人员本身没有很深的理解，可能会造成设计事故，影响工程安全。本文通过对冲切与剪切破坏机理的分析，结合实际工程的演算，希望能加深设计人员对冲切与剪切概念的理解，并提出一些设计建议，为柱下独立基础冲剪破坏计算提供参考。

2　冲切破坏与剪切破坏的机理

下图1［1］为剪切破坏时斜裂缝的四种常见形式。

图1　剪切破坏时斜裂缝的四种常见形式

混凝土构件斜截面受剪的计算模型为桁架，上部混凝土受压，下部混凝土受拉。当荷载足够大时，下部混凝土中的拉应力会超过混凝土的极限抗拉强度，裂缝也随之产生。一旦产生，由于应力集中现象，裂缝会沿着45°角往上部迅速发展，最终导致结构的破坏。

图2［2］为冲切破坏的示意图。

图2　冲切破坏的示意图

混凝土构件的冲切破坏表现为冲切锥体相对于构件边缘部分发生位移。在柱底集中力作用下，基础内产生正应力和剪应力，尤其在柱四周产生较大的拉应力，当拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，柱四周出现与底面呈45°并向底部扩展的斜裂缝，在基础内形成锥体形破坏。

对比发现，剪切和冲切其实是斜截面破坏的两种形式，都是剪力起控制作用的破坏，外国文献一般将二者都称为“shear”，但从破坏模式上来看，二者还是有区别的。剪切破坏具有平面特点，冲切破坏则具有明显的三维空间特征［3］。板的尺寸、支承方式以及荷载的大小都是影响两种破坏形式的因素。

3　工程实例

3.1工程概况

本工程为一栋11层的框架剪力墙结构住宅，属A级高度的高层建筑。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，框架的抗震等级为四级，剪力墙的抗震等级为3级。场地类别为Ⅱ类，基础形式采用柱下独立基础，基础的持力层为中风化粉砂岩，修正后的地基承载力特征值fa=1800kPa，其中一根框架柱上部结构传至基础上的按正常使用极限状态下作用的标准组合为Fk=2700kN，框架柱截面尺寸为500mm× 500mm，混凝土标号为C30（ft=1.43MPa），纵向受拉钢筋为HRB400级钢筋，钢筋保护层厚度为as=40mm。

3.2计算过程

3.2.1承载力计算

根据 《地基基础设计规范》（GB50007-2011）（以下简称地基规范）第5.2.1及5.2.2条。

经初算后取基础底边长a=1300mm，基础高度h=400mm，基础顶面覆土取2000mm，算得（Fk+Gk）/A=1643.6kPa＜fa，满足要求。

3.2.2冲切验算

根据地基规范第8.2.8条，柱下独立基础的受冲切承载力应按下列公式验算：

经计算，F1=pj×A1=108.7kN＜0.7β×hp×ft×am× h0=309.9kN，满足要求。

3.2.3剪切验算

由于基础底面短边尺寸a=1300mm＞柱宽加2倍基础有效高度500+2×（400-40）=1220mm，该基础可不进行受剪承载力验算。

抗弯承载力和局部受压承载力计算工程本文不再赘述。一般情况下，独立基础的设计过程到此结束。

4　深入探讨

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第6.3.3条规定：不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力应符合下列规定：

地基规范附录U.0.1规定，对于阶梯型承台应分别在变阶处和柱边处进行斜截面受剪计算。

这两条都是普适性的规定，并没有表明基础尺寸会对计算有影响。在此我们不妨尝试进行受剪承载力的验算。

根据地基规范第8.2.9条，当基础底面短边尺寸小于或等于柱宽加两倍基础有效高度时，应按下列公式验算柱与基础交接处截面受剪承载力：

对于上述的独立基础，经计算：

Vs=pj×1.3×0.4=1121.5kN＞0.7βhs×ft×A0=0.7× 1×1430×1.3×0.4=520.5kN

抗剪承载力不满足。

因此，地基规范8.2.8、8.2.9条的条文解释中的“符合本规范要求的双向受力独立基础，其剪切所需的截面有效面积一般都能满足要求，无需进行受剪承载力验算”是值得推敲的，双向受力的独立基础，不仅可能发生冲切破坏，还可能发生剪切破坏。

对于这个问题，广东省《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）中关于冲切与剪切的计算规定也印证了笔者的想法，该规范第9.2.7条的条文解释中明确提出了“对于双向受力的柱下单独基础应验算控制截面的受冲切承载力，必要时应验算抗剪承载力”，同时列出了仅需验算抗冲切承载力的界限条件。

另外美国规范ACI318和欧洲规范EN1992中都没有根据基础短边尺寸与柱宽加2倍基础有效高度的关系分别进行冲切与抗剪验算的规定。

同时，在工程实际中，独立基础之间往往是有基础梁联系的。在基础梁的约束下，独立基础的破坏并不会像理论上那样简单。对于冲切破坏，基础梁的钢筋会限制斜裂缝的发展，延缓基础的锥状空间式破坏。在这种情况下，基础的破坏是由于角部混凝土的剪切破坏。

5　结　语

通过以上的分析，笔者建议在进行独立基础的设计时，对于底面短边尺寸大于柱宽加2倍基础有效高度的双向受力基础，除了按规范要求进行冲切承载力的验算，还应该验算抗剪承载力作为补充参考。对于底面短边尺寸小于或等于柱宽加2倍基础有效高度的双向受力基础，仅需要计算抗剪承载力。

［1］杨芸.钢筋混凝土平板结构冲切破坏与剪切破坏的研究［D］.淮南：安徽理工大学，2009.

［2］梁发云，贾承岳，姚笑青.柱下独立基础冲切与剪切破坏概念辨析［J］.高等建筑教育，2011（5）.

［3］李荣年.扩展基础冲剪破坏特征和计算方法研究［D］.中国建筑科学研究院，2013.

［4］GB50007-2011，地基基础设计规范［S］.

［5］GB50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［6］DBJ15-31-2003，建筑地基基础设计规范［S］.

TU470

B

1007-7359（2016）04-0160-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.063

韩雷（1989-），男，湖北武汉人，毕业于华中科技大学，学士，助理工程师。