电子技术基础模拟部分

课程设计

             

          课设名称：信号发生器设计

          院    系：信息工程学院

   专业班级：20##级通信工程3班

          姓    名：

          学    号：2009550801

          日    期：20##年5月9日

 信号发生器

一、设计目的

1、进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。

2、基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。

3、学会运用Multisim10仿真软件对所作出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。

4、掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

二、设计内容与要求

1、设计、组装、调试函数信号发生器

2、输出波形：正弦波、三角波、方波

3、频率范围：10Hz-10KHz范围内可调

4、输出电压：方波V_PP<20V, 三角波V_PP=6V, 正弦波V_PP>1V

三、设计方案仿真结果

1、方波—三角波—正弦波电路

原理图：

设计思路:

设计电路主要由比较器、积分器、差分放大器三大主要模块电路构成。经比较器产生方波，再经过积分器产生三角波，而后由积分器输出信号反馈给比较器，比较器和积分器组成正反馈闭合电路，使其能够完成自激震荡，分别输出方波和三角波。再经过级间耦合电容接入差分放大器，使其再对三角波进行整形变换，最后输出标准正弦波。由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

方波—三角波—正弦波产生电路：

由反相输入的滞回比较器和RC电路组成的电路中，RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换，从而实现方波的输出。若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。对于正弦波输出电路，其中Rw3调节三角波的幅度，Rw4调整电路的对称性，其并联电阻Re2用来减小差分放大器的线性区。电容C2,C3,C4为隔直电容，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

仿真波形：

2、各电路产生原理分析

(1)方波电路

电路由反相输入的滞回   比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。Uo通过Rf对电容C正向充电。反相输入端电位Un随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过Rf对电容C反向充电，Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

(2)三角波电路

三角波的产生是由积分电路实现的，积分电路将方波转换成三角波。积分电路的原理图如下：

由于集成运放的反相输入端“虚地”，故 ；又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则，故,由以上几个表达式可得积分电路输入电压和输出电压的关系为：

由于输入的是方波，所以Ui的值为两个状态，当Ui＞0时，输出波形以的斜率上升，当Ui＜0时，输出波形以的斜率下降。上升和下降的斜率相等所以波形对称，形成三角波。

原理图：

(3)正弦波电路

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。其中Rw3调节三角波的幅度，Rw4调整电路的对称性，其并联电阻Re2用来减小差分放大器的线性区。电容C2,C3,C4为隔直电容，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

3、电路的参数选择及计算

（1）方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）

实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

（2）三角波-正弦波部分 

比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

取R2=4KΩ，则取R3=10KΩ，平衡电阻R1=5.1KΩ

当10Hz≤f≤10KHz时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。

三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C2、C3、C4要取得较大，因为输出频率很低，取C2=C3=C4=470μF，滤波电容C5视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C5可取得较小，C5一般为几十皮法至0.1微法。Re2=100Ω与Rw4=100Ω相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整Rw4及电阻R确定。

四、安装调试步骤

1、焊接总电路图：

 电路用到的元件：741集成运放、电位器、电容、电解电容、三极管、电阻、若干导线

2、集成运放741的引脚接线示意图：

3、焊接电路板注意事项：

a．元件没有错焊、漏焊。

b．元器件摆放端正，焊接点圆滑。

c．工艺布局美观。

d．焊接牢固。

4、实验过程中相关数据表格

（1）万用表检查记录表

（2）三角波发生电路

（3）差动放大电路

五、总结收获体会

近一周的课程设计实验中，让我感触颇深。在设计、焊接过程中我对抽象的理论有了具体的认识；掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

当然，所有的收获都是在不断的失败中得到的。在实验过程中，我遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。我通过查阅资料，更深一步了解电路设计的原理及电路中每一元件的具体作用，一一尝试调节电路元件及元件参数，把问题一一解决。实验中暴露出我在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，经过多次验证终于理解了。

还有就是在电路焊接实践中，由于心急，本来不会出问题的地方也会出现焊错的现象，从而造成电路短路，直至经过多番测试之后检查了出来，才使得电路顺利输出波形。所以，在焊接电路之前一定要先设计好整个电路板的布局，再布置元件，最后焊接。这样既不会出现焊好再拆的情况，也不会使得最后PCB板不够用。另外，好多同学被电烙铁烫伤了，或者有些女生头发被烧，这不得不让我想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，尽量使自己的装束方便于实验，同时，一定要细心，让不必要的伤害减至最少。

通过对此课程的设计，我认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与客观性。我不但了解了以前不了解的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。更明白了“学而不思则罔，思而不学则殆”这句古语所阐述的深刻哲理。这次课程设计教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。虽然这次只是一个小小的开始，一个小小的设计，但是却是我的前车之鉴，以后发展的基础，相信自己会有更大的收获与成长！

六．仪器仪表清单

设计所用仪器及器件

1．直流稳压电源          1台

2．双踪示波器            1台

3．万  用  表            1只

4．运   放741            2片

5．电位器501             1只 

         　　　　　　　　10K             2只（实验台代）

6．电  容104             1只

      　　　 7．电解电容47UF　　　　 1只

    　　　　 8．电阻  5.1K            2只

                      10K             3只

                      510             3只

                      1K              1只

                      6.8K            2只

9．三极管9013            2只

10．剪刀　　　　　　      1把

11．电线                  若干

12．电烙铁                1根

             

七、参考文献

1、电子技术基础--模拟部分（第五版）康华光 

高等教育出版社

2、模拟电子技术基础 设计 仿真 编程与实践  李万臣（主编）  哈尔滨工程大学出版社

3、模拟电子电路分析、设计与仿真  劳五一  劳佳（主编） 

清华大学出版社

 

第二篇：湘潭大学地基基础课程设计

地基基础课程设计 姓

学 名 号 2011800516 专业班级 2011 级土木工程 一班

年 1 2014 月 任课教师 指导教师 学 时 院 间

湘潭大学 地基基础课程设计 2011800516 万梓豪

目 次

主要符号表??????????????????????????????????2 地基基础课程设计任务书????????????????????????????3 第一部分 浅基础设计????????????????????????????3 上部结构资料???????????????????????????????3 地基的地质条件??????????????????????????????3 水文地质条件???????????????????????????????3 第二部分 桩基础设计????????????????????????????4 设计内容??????????????????????????????????4 钢筋混凝土柱下独立基础设计计算书???????????????????????5 选择持力层?????????????????????????????????5 计算地基承载力特征值并修正?????????????????????????5 计算基础所需底面尺寸????????????????????????????5 验算软弱层强度和沉降量???????????????????????????6 设计基础剖面并计算配筋???????????????????????????8 绘制施工图?????????????????????????????????9 桩基础设计计算书 ??????????????????????????????10 选择桩的类型及截面尺寸 ??????????????????????????10 选择桩端持力层、承台埋深 ?????????????????????????10 计算单桩竖向承

载力 ????????????????????????????10

确定桩数、间距及平面布置 ?????????????????????????10 群桩基础中单桩承载力验算 ?????????????????????????10 承台设计 ?????????????????????????????????10 沉降计算 ?????????????????????????????????13 绘制施工图 ????????????????????????????????14 参考文献 ??????????????????????????????????15 后记 ????????????????????????????????????16

1

湘潭大学 地基基础课程设计 2011800516 万梓豪

主要符号表

（另有部分符号在计算书中标明，未在此列出）

Fk───相应于作用的标准组合时，基础顶面传至基础顶面的竖向力； Gk───基础自重和基础上的土重； Mk───相应于作用的标准组合时，作用于基础顶面的力矩值； p ───基底压力； p0───基底平均附加压力；

Qk───相应于作用的标准组合时，轴心竖向力作用下桩基中单桩所受竖向力； V ───配筋计算时剪力设计值； Fl───桩基础设计中扣除承台及其上填土自重，作用在冲切破坏锥体上相应于作用的基 本组合时的冲切力设计值； φ ───土的内摩擦角；

γ ───土的重度；

γG ───基础及回填土平均重度，一般取 20 kN/m3； θ ───地基压力扩散角；

fa ───修正后的地基承载力特征值；

fak ───地基承载力特征值； qpa───

桩端阻力特征值；

Ra ───单桩承载力特征值；

qsia ───桩侧阻力特征值；

? ───桩基沉降计算时各土层内摩擦角的加权平均值； E s ───变形计算深度范围内压缩模量的当量值； λox、λoy───冲跨比；

λ1x、λ1y───角桩冲跨比；

? ───表示钢筋直径的符号；

d ───基础的埋置深度，桩身直径；

A ───基础底面面积；

b ───基础宽度；

h0 ───基础高度；

up ───桩身长度；

βhp───受冲切承载力截面高度影响系数；

βhs───受剪切承载力截面高度影响系数；

ψs───沉降计算的经验系数；

ψ p───桩基础沉降计算的经验系数；

───平均附加应力系数；

ηb ───基础宽度的承载力修正系数；

ηd ───基础埋深的承载力修正系数；

αox、αoy───冲切系数；

α1x、α1y───角桩冲切系数

2

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地基基础课程设计任务书

（注：学号为 2011800516，荷载取值以此学号为标准）

第一部分 浅基础设计

（一）、上部结构资料

某框架结构柱网图如下，柱截面为 400×400 mm2，荷载的标准组合为：F1k＝616（600 ＋学号后两位数字）kN，F2k＝716（700＋学号后两位数字）kN，F3k＝816（800＋学号后两 位数字）kN。力矩 M k＝150 kN·m，水平荷载 H k＝16（10＋学号后一位数字）kN。

相应于准永久组合的竖向力 F＝Fk－50 kN，用于沉降计算。 柱下独立基础设计时，学号最后一位数字数字是 6 的选取中柱荷载 F3k 进行设计计算。 若选择进行条形基础设计，学号最后一位数字数字是 6 的选取柱荷载 F2、F3、F3、F2

对应的纵梁进行计算。

（二）、地基的地质条件

1、自上而下土层依次如下：

①号土层：杂填土，层厚 0.5 m，含部分建筑垃圾； ②号土层：粉质黏土，层厚 1.3 m，软塑，潮湿； ③号土层：黏土，层厚 3.8 m，可塑，稍湿； ④号土层：淤泥质粉土，层厚 2.0 m； ⑤号土层：细砂，层厚 2.8 m，中密；

⑥号土层：强风化砂质泥岩，厚度未揭露。 2、岩土设计参数（用于浅基础）（表 1.1） （三）、水文地质条件

1、拟建厂区地下水对混凝土结构无腐蚀性。 2、地下水位深度：位于地表下 1.6 m。

3

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表 1.1

土层 编号

土的名称

重度 /(kN/m3)

地基岩土物理学参数

黏聚力 c

孔隙比 液性指数 内摩擦

压缩模量

基床反力系数 承载力特征

杂填土 粉质黏土 黏土 淤泥质粉土

细砂

e

IL

/(kPa)

角 φ/(°)

Es /(MP a)

k/(MN/m)

3

值 fak/(kPa)

① ② ③ ④ ⑤ ⑥

18.0

— 0.65

— 0.84

— 34

— 13

— 7.5

— 19

— 130

20.0

19.6

0.58 0.78 25

23

8.4

23 6

190

17.0

0.62

— —

11

14

3.0 11.8

250

21.0

— —

30

22 54

强风化砂质 泥岩

22.0 —

— 27.0 310

第二部分 桩基础设计

某一商业大楼地质剖面和土性物理指标如下表（表 1.2）所示。 上部结构传至设计地面标准组合的荷载标准组合为：F1k＝6416（6400+学号后两位数字） kN，F2k＝7216（7200+学号后两位数字）kN，F3k＝8016（8000+学号后两位数字）kN。力 矩 M k＝356（350+学号后一位数字）kN·m。

相应于准永久组合的竖向力 F＝Fk－50 kN，用于沉降计算。 学号最后一位数字数字是 6 的选取 F3k 规定的荷载进行设计计算。

表 1.2

土层 编号

土的名称

桩基础设计地基岩土物理学参数

孔隙比

液性指数

杂填土 粉质黏土 黏土 淤泥质粉土

中砂 细砂 强风化砂质 泥岩

厚度/(m) 重度 /(kN/m3)

e

IL

qsia / (kPa)

qpa / (kPa)

压缩模量 Es

含水量 承载力特征

/(MPa)

ω/(%)

值 fak/(kPa)

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

1.6

16.0

— 0.65

— 0.84

11

— 1300

5.0

— 24

— 130

2.2

19.0

28

8.1

4.3

19.3 17.0

0.58 0.78 22

2100 9.0

36

190 90

2.2

—

—

6

2550

3.0

45

4.5

20.0 21.0

34

20.0

260

3.8 足够深

36

2600

19.6 27.0

250

22.0 — 40 3500 310

桩穿越各土层的平均内摩擦角等于 20°

设计内容

设计两种方案

方案一：钢筋混凝土柱下独立基础（必作）； 方案二：柱下条形基础或桩基础（二选一）。

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钢筋混凝土柱下独立基础设计计算书

（注：学号为 2011800516，选取中柱荷载 F3 进行设计计算）

（一）、选择持力层

依据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011（以下简称《规范》），在保证建筑物安 全和正常使用的前提下，基础应尽量潜埋，一般情况下，不宜小于 0.5 m。根据工程地质、 水文地质条件，本设计中，地基持力层选择在第③层黏土上。取基础埋深 2.0 m。

（二）、计算地基承载力特征值，并修正 采用

现场荷载试验或其他原位测试方法： 查

《任务书》表 1.1，有：

黏土孔隙比 e＝0.58

黏土液性指数 黏IL＝0.78

土承载力特征值 fak＝190 kPa

据《规范》5.2.4 条，地基承载力修正式为：

fa＝fak＋ηbγ（b－3）＋ηdγm（d－0.5）

查《规范》表 5.2.4，对于 e 及 IL 均小于 0.85 的黏土，深度修正系数 ηd＝1.6，预计基础 宽度小于 3.0 m，可以不作宽度修正。

持力层以上土的加权平均重度为：

＝＝17.46 kN/m3 γm＝2 h1＋h2＋h3＋h4

则修正后的地基承载力特征值为：

fa＝fak＋ηbγ（b－3）＋ηdγm（d－0.5）

＝190＋1.6×17.46×1.5＝231.904 kPa

（三）、计算基础所需底面尺寸

计算基础底面积 A 和底面宽度 b。

1、按中心荷载粗估基底面积，对于矩形基础：

816 Fk ＝4.25m2 ＝A1＝ab＝fa－γG d 231.9－20 ? 2

考虑偏心荷载作用，将基地面积扩大 1.3 倍，即：A＝1.3·A1＝5.53 m2。

取正方形基础，A＝b2，则：

b≥1.3Fk ＝＝2.35 m fa－γG d

取 b＝2.4 m＜3 m，无需再进行承载力修正。

2、验算基底压力

基础及回填土重 Gk＝γGdA－10Ahw＝20×2×2.4×2.4－10×2.42×0.4

基础的总垂直荷载

基底的总力矩

基础底面的抵抗矩 ＝207.36 kN Fk＋Gk＝816＋207.36＝1023.36 kN M＝150＋16×2＝182 kN·m 23 3b2.4 l b W＝＝＝＝2.304 m3 6 6 6

5

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总荷载的偏心矩

则基底边缘最大应力： b 182 ＝0.18 m＜＝0.4 m e＝1023.36 6

F k＋Gk ＋＝＋pmax＝W 2.4 ? 2.4 2.304 A

＝256.66 kN/m2＜1.2fa＝1.2×231.9＝278.28 kPa

基底平均应力：

F ＋G1023.36 p＝＝＝177.67kPa＜f ＝231.904 kPa a 2.4 ? 2.4 A

满足地基承载力要求。

（四）、验算软弱层强度和沉降量

1、验算地基软弱下卧层的承载力

查《任务书》表 1.1，第④层淤泥质粉土层为软弱下卧层。

（1）、前面已经求得基底压力

p＝181.67 kPa

（2）、求下卧层承载力 采

用理论公式计算确定。 查

《任务书》表 1.1，有：

黏土内摩擦角

黏土黏聚力 φ＝14° c＝11 kPa

据《规范》5.2.5 条，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值满足：

fa＝Mbγb＋Mdγmd＋Mcck 查《规范》表 5.2.5，φk＝14°时

有：Mb＝0.29，Md＝2.17，Mc＝4.69 基础底面至下卧层顶面的距离为 z＝3.6 m，z／b＝1.5＞0.5，Es1／Es2＝8.4／3＝2.8＜3 查《规范》表 5.2.7，z／b＞0.5 时，θ 值不变，即 Es1／Es2＝3，θ＝23°。

计算 Es1／Es2＜3 时的压力扩散角 θ[12]，查《规范》条文说明中的表 5，如下表：

z／b

ν＝1.0，α＝Es1／Es2＝1 — ν＝5.0，α＝Es1／Es2≈4 —

0.00 0.25 0.50

1.00 0° 3.18° 18.43° 5.94° 24.0° 35.73°

取其中 z／b＝0.5，Es1／Es2＝1 时的 θ 值，运用内插法计算，得：

（ ＝21° 2

故下卧层顶面应力扩散宽度为：

b′＝b＋2ztanθ＝2.4＋2×3.6×tan21°＝5.16 m

下卧层埋深为：

d′＝0.5＋1.3＋3.8＝5.6 m

下卧层土的有效重度为：

γ′＝γ－γw＝17.0－10.0＝7.0 kN/m3

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下卧层以上土的加权平均重度：

3 ＝＝10.96 kN/mγm＝5.6 h1＋h2＋h3＋h4

则下卧层承载力为：

fd＋z＝Mbγ′b′＋Mdγmd′＋Mcck

＝0.29×7×5.16＋2.17×10.96×5.6＋4.69×11

＝195.25 kPa

（3）、求作用于下卧层上的压力

下卧层顶面自重压力为：

pcz＝18×0.5＋20×1.1＋(20－10)×0.2＋(19.6－10)×3.8＝69.48 kN/m2

基底自重压力：

pc0＝18×0.5＋20×1.1＋(20－10)×0.2＋(19.6－10)×0.2＝34.92 kN/m2

代入下卧层顶面附加压力公式，得：

2 ab( p－pc0 ) 2＝31.70 kN/m ＝pz＝2(a＋2zt anθ)(b＋2zt anθ) (2.4＋2 ? 3.6 ? t an21?)

（4）、下卧层承载力验算

下卧层顶面总压力：

pcz＋pz＝69.48＋31.7＝101.18 kN/m2＜fd＋z＝195.25 kN/m2

即下卧层满足承载力要求。

2、验算地基沉降量 采用《规范》简化的分层总和法计算，

要求 s≤[s]，其中：

s＝ψs s′＝ψs ＝ψ?? s′Ei s

i＝1 i＝1 n n p0 si ( αi z i－ αi－1z i－1)

（1）、计算基础底面的附加应力 p0

相应于准永久组合的竖向力 F＝Fk－50 kN＝816－50＝766 kN

前面已求得：Gk＝207.36 kN

F＋Gk 766＋207.36 则基础底面平均应力：p＝ ＝ ＝168.99 kPa A 2.4 ? 2.4

2基础底面自重压力：pc0＝34.92 kN/m

p0＝p－pc0＝168.99－34.92＝134.07 kN/m2

（2）、确定分层厚度、计算深度

2 m＜b≤4 m，查《规范》表 5.3.7，得分层厚度 Δz＝0.6 m

当无相邻荷载影响，且基础宽度在 1～30 m 范围内时，基础中点的地基变形计算深度按 《规范》中式（5.3.8）为：

zn＝b（2.5－0.4lnb）

＝2.4×（2.5－0.4×ln2.4）

＝5.16 m

（3）、列表计算分层沉降量

查《规范》附录表 K.0.1-2，得平均附加应力系数 i 。列表计算。

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点号

zi/(m)

1

0.00 3.60 5.16

a/b

z/b

4 αi

4 αi zi

4 i z i－4 i－1z i－1

Esi/(MPa)

Δsi′

ΣΔsi′/(mm)

0.00

1.0000 0.0000

2.8670

8.4

1.00

1.50

0.7964 2.8670

45.76

45.76 72.67

2 2.15 0.6723 3.4691 0.6021 3.0 26.91

（4）、计算最终沉降量

s ＝8.4 3 p0＝134.07 kN/m2≤0.75fak＝0.75×190＝142.5 kN/m2 查《规范》表 5.3.5，得：ψs＝0.83

s＝ψs s′＝0.83×72.67＝60.3 mm

（五）、设计基础剖面，并计算配筋

＋1.15 ? Ai 3.23＝＝5.7 MPa

A ＋?si

1、荷载组合 扩展基础设计应采用荷载的基本组合。据《规范》荷载的基本组合可采用

标准组合乘以 1.35 分项系数。因此作用在基础上的外荷载 F＝1.35×816＝1101.6 kN，M＝1.35×150＝202.5 kN·m，H ＝1.35×16＝21.6 kN。

2、基础底面净压力计算

荷载偏心距 基底的总力矩 基础底面的抵抗矩 基底净反力

M202.5＋21.6 ? 2 b e＝ ＝ ＝0.22＜ ＝0.4 m

6 F 1101.6

M＝202.5＋21.6×2＝245.7 kN·m

23 3b2.4 l b

W＝＝＝＝2.304 m3

6 6 6

pe max pe min

±＝± ＝

A W 2.4 ? 2.4 2.304 297.89 ＝ kPa 84.61

3、初步确定基础高度

采用锥形基础，经简化计算[13]，基础高度初步确定为 h＝700 mm。按《规范》要求， 铺设垫层时要求保护层厚度不小于 35 mm，保护层厚度取 50 mm，则 h0＝700－50＝650 mm。

4、基础冲剪验算（图 1）

Al 面积上地基反力 Fl 计算

ab a b

Al＝－c －h0 )b－( －c －h0 )2

2 2 2 2 2.4 0.4 2.4 0.4

＝ － －0.65 )×2.4－ － －0.65 )2

2 2 2 2 ＝0.7175 m2 按 Al 上作用着 pe max 计，则：

Fl＝pe max×Al＝297.89 kN/m2×0.7175 m2＝213.74 kN 冲切破坏面的抗剪承载力满足

图 1 冲切验算图形

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[V]＝0.7βhft ( bc＋h0 ) h0

因为 h0＝650 mm＜800 mm，故 βh＝1.0。基础采用 C20 混凝土，其轴心抗拉强度设计 值为 ft＝1.1 N/mm2＝1100 kN/m2，则：

[V]＝0.7×1.0×1100×(0.4＋0.65)×0.65＝525.5 kN

满足 Fl＜[V]要求，基础不会发生冲剪破坏。

5、柱边基础弯矩计算 柱

边与远侧基础边缘距离

1 a′＝ac＋(a－ac)＝0.4＋1＝1.4 m 2

柱边处的地基净反力

( －p)a′＋pe min a p＝peⅠ＝e max e min 2.4 a 2.4

计算横、纵断面的弯矩： ＝209.02 kN/m2

1 MⅠ＝(a－ac)2[(pe max＋peⅠ) (2b＋bc)＋(pe max－peⅠ) b] 48

1 ＝ ×(2.4－0.4)2×[(297.89＋209.02)×(2×2.4＋0.4)＋(297.89－209.02)×2.4] 48

1 ＝×4×(506.91×5.2＋88.87×2.4)＝237.44 kN·m 48

p MⅡ＝e (b－bc)2 (2a＋ac) 24

191.25 ＝ (2.4－0.4)2× (2×2.4＋0.4) ＝165.75 kN·m 24

6、配筋计算

采用 HPB300 级钢筋，查得其抗拉强度设计值 fy＝270 N/mm2，C20 混凝土轴心抗拉强 度设计值 fc＝9.6 N/mm2。

＝1503.26 mm2 ＝AsⅠ＝0.9h0Ⅰ f y 0.9 ? 650? 270

选用 12 ?14@200 mm（实配 AsⅠ＝1846 mm2） MⅠ 237.44 ? 106

M 165.75 ? 106 Ⅱ ＝＝1072.48 mm2 AsⅡ＝0.（9 h0Ⅱ－d）f y 0.9 ?（650－14）? 270

选用 12 ?12@200 mm（实配 AsⅡ＝1356 mm2）

（六）、绘制施工图

施工图见附图“结施 01”。

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桩基础设计计算书

（注：学号为 2011800516，选取中柱荷载 F3 进行设计计算）

（一）、选择桩的类型及截面尺寸

初步采用截面尺寸为 400 mm×400 mm 预制钢筋混凝土方桩。

（二）、选择桩端持力层、承台埋深，计算单桩竖向承载力

根据荷载和地质条件，以第⑥层细砂土为桩端持力层。桩端进入持力层 1.3 m，桩长为 14 m，承台埋置深度为 2.1 m。

据《规范》8.5.6 条，估算单桩承载力的特征值：

Ra＝qpaAp＋upΣqsiali

其中：Ap＝0.4×0.4＝0.16 m2

up＝0.4×4＝1.6 m

查《任务书》表 1.2 得 qsia，qpa，则有：

Ra＝qpaAp＋upΣqsiali

＝2600×0.16＋1.6×(28×1.7＋22×4.3＋6×2.2＋34×4.5＋36×1.3)

＝984.32 kN

（三）、确定桩数、间距及平面布置

先假定承台尺寸为 4.8 m×4.8 m，厚度为 1.0 m，承台及其以上土平均容重取 20 kN/m3， 则承台及其上土自重的标准值为

Gk＝20×4.8×4.8×1.6＝737.28 kN

Fk＋Gk n≥ ＝＝8.89

Ra 984.32

可以取 9 根桩，承台的平面尺寸为 4.8 m×4.8 m，

间距取 2000 mm，如图 2 所示。

（四）、群桩基础中单桩承载力验算 按设

计的承台尺寸计算 Gk＝737.28 kN 单桩

的平均竖向力：

F k＋Gk ＝＝972.59 kN Qk＝n 9

Qk≤Ra＝984.32 kN，符合要求。

按《规范》式（8.5.4-2）计算单桩偏心荷载下最大竖向力： F k＋Gk Qk,max＝2 n x j ? 图 2 桩的布置及承台尺寸

356? 2 ＝972.59＋ ＝972.59＋29.67 26 ? 2

＝1002.26 kN

Qk,max＜1.2 Ra＝1181.18 kN，符合要求。

（五）、承台设计

在承台结构设计中，取相应于荷载效应基本组合的设计值，按 S＝1.35Sk 计算。则： F＝1.35 Fk＝1.35×8016＝10821.6 kN，M＝1.35 Mk＝1.35×356＝480.6 kN·m

1、抗弯计算与配筋设计

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前面已设计承台平面尺寸，进一步设计为：取承台厚 1.5 m，下设厚度为 100 mm、强 度等级为 C10 的混凝土垫层，保护层厚度为 70 mm，则 h0＝1430 mm；承台混凝土等级为 C25，混凝土抗拉强度设计值为 ft＝1.27 N/mm2，钢筋采用 HRB335 级，fy＝300 N/mm2。

各桩不计承台以及其上土重 Gk 的净反力 Ni 为： F8016 平均竖向力 N ＝k ＝1.35×＝1202.4 kN n 9

M y xmax ＋）＝1.35×（）＝1282.5 kN 最大竖向力 Nmax＝1.35（n x j 9 6 ? 2

My＝ΣNixi＝3 Nmax×xi＝3×1282.5×1.7＝6540.75 kN·m

钢筋面积 As＝ M y

0.9h＝ 6540.75 ? 106

1430? 300 ＝16940.56 mm2

0 f y 0.9 ?

选用 35 25@135 mm（实配 AsⅠ＝17178 mm2），平行于 x 轴布置。

Mx＝ΣNiyi＝3 N ×yi＝3×1202.4×1.7＝6132.24 kN·m

钢筋面积 As＝ M x

0.9h＝ 6132.24 ? 106

? 300＝15882.5 mm2

0 f x 0.9 ? 1430

选用 33 25@145mm（实配 AsⅠ＝16203mm2），平行于 y 轴布置。

2、承台抗冲切验算

据《规范》8.5.19 条：

（1）、柱对承台的冲切验算

Fl≤2[αox(bc＋aoy)＋αoy(hc＋aox)] βhpfth0

式中：aox＝aoy＝2000－200－300＝1500 mm＝1. 5 m

bc＝hc＝0.6

λ＝λa

oy＝ ox 1500 ox h＝1430 ＝1.05＞1，取 λox＝λoy＝ 1.0

αox＝αoy＝ 0.84

?＝0.7

ox＋0.2

内插法求 βhp＝1－ 1－0.9

2000－800 ×（1500－800）＝0.942

则 2[αox(bc＋aoy)＋αoy(hc＋aox)] βhpfth0

＝2×[0.7×(0.6＋1.5)＋0.7×(0.6＋1.5)]×0.942×1270×1.43

＝10059.3 kN

桩顶平均净反力 N＝10821.6

9 ＝1202.4 kN

Fl＝F－N＝10821.6－1202.4＝9619.2 kN＜10059.3 kN

所以满足要求。

（2）、角桩的冲切验算

Nαaa

l≤ [1x(c2＋ 1y

2 )＋α1y(c1＋1x

2 )] βhpfth0

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式中：c1＝c2＝600 mm α1x＝α1y＝300 mm

λa 300 ox＝λoy＝ 1x

h＝0 680 ＝0.441

α1x＝α1y＝ 0.56

?1x＋0.2 ＝0.874

则 2[α＋a

1x(c2 1y a

2 )＋α1y(c1＋1x

2 )] βhpfth0

＝2×[0.874×(0.6＋0.3 0.3

2 )＋0.874×(0.6＋

2 )]×1.0×1270×0.68

＝2264.36 kN＞Nmax

满足要求。

3、承台抗剪验算 据

《规范》8.5.21 条：

V≤βhsβftb0h0

对变阶处验算（示意图见施工图“结施 01”）

（1）、对于Ⅰ-Ⅰ截面：

截面有效高度 h0＝h－cmin＝750－70＝680 mm

截面计算宽度 a＝300 mm， λ300 y11x＝

680 ＝0.441

β1x＝ 1.75

?＋1.0 ＝1.75

0.441＋1.0 ＝1.21

1x

1

β? 800hs＝ ? ???4 ＝1

? h01 ??

βhsβftb0h0＝1.0×1.21×1270×4.8×0.68＝5015.19＞V＝3 Nmax＝3847.5 kN 符合要求。

（2）、对于Ⅱ-Ⅱ截面：

截面有效高度 h0＝h－cmin＝1500－70＝1430 mm

截面计算宽度 bb y1h10＋by 2 h20 1500 y0＝h＝3.94 mm， λ2x＝ ＝1.05

0 1430

β1x＝ 1.75

?＝ 1.75

＋1.0 ＝0.85

1x＋1.0 1.05

1

β? 1

800hs＝ ? ?

4 ? 800 4

???

h＝ ?

02 ??? 1430????＝0.865

βhsβftb0h0＝0.865×0.85×1270×3.94×1.43＝5261.03＞V＝3 Nmax＝3847.5 kN 符合要求。

、沉降计算

1、采用荷载扩散法

12 （六）

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p F＋G ? a ? b －p0＝????? ?? ??? b0＋2l ? t a?? a0＋2l ? t an ????4 ??4 ??????????

式中：F 为相应于荷载效应准永久组合时分配到桩顶的竖向力。

F＝Fk－50 kN＝8016－50＝7966 kN；Gk＝737.28 kN；

pc0＝16×1.6＋19×0.5＝35.1 kN/m2；l＝14 m；a0＝b0＝4.4 m；a＝b＝4.8 m；

7966＋737.28－35.1 ? 4.8 ? 4.8

＝168.25 kPa（扩散后 a＝b＝6.85 m） 则 p0＝2

20 ?? ??

? 4.4＋2 ? 14 ? t a??

4 ????

s′＝

?E

i＝1

n

p0

si

( αi z i－αi－1z i－1 )

查《规范》附录表 K.0.1-2，得平均附加应力系数 αi 。列表计算。

点号

zi/(m) 0.00

a/b

z/b

i

i zi

i z i－ i－1z i－1

Esi/(MPa)

Δsi′

ΣΔsi′/(mm)

1 2

1.5 2.5 5.4

0.00

1.0000 0.0000

0.22 0.36

1.00

0.9819 1.4729 0.9462 2.3655

1.4729

0.8926

19.6

19.6

12.64

7.66

12.64 20.30 31.78

3

0.79

0.7792 4.2074

1.8419

27.0

11.48 6.03

4

8.1

1.18

0.6377 5.1654

0.9680

27.0 27.0

37.81 43.70

5 13.7 2.00 0.4460 6.1102 0.9448 5.89

直到 Δsn＜0.025Σsi，计算最终沉降量：

E s ＝?si

1.91＋3.03 ? A 1.49＋0.96＋2.5＋

＝＝24.7 MPa A

19.6

＋27

查《规范》表 R.0.3， E s ＝15 MPa 时，ψp＝0.5； E s ＝25 MPa 时，ψp＝0.4，则线性

内插得： E s ＝24.7 MPa 时ψp＝0.397

s＝ψp s′＝0.397×43.7＝17.35 mm

2、采用扣除群桩侧壁摩阻力法

F2 a0＋b0）qsia hi ＋G－（p0＝a0 b0

式中：a0＝b0＝4.4 m

7966＋737.28－2 ?（4.4＋4.4）?（28×1.7＋22 ×4.3＋6 ×2.2＋34 ×4.5＋36 ×1.3）

则 p0＝4.4 2

13

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＝＝126.64 kPa 2

4.4

ps′＝ ( αi z i－αi－1z i－1 )

Ei＝1 si

?n

查《规范》附录表 K.0.1-2，得平均附加应力系数 i 。列表计算。

点号

zi/(m)

a/b

z/b

i

i zi

i z i－ i－1z i－1

Esi/(MPa)

Δsi′

ΣΔsi′/(mm)

0.00 1.3 2.2

1 2

0.00

1.0000 0.0000

0.30 0.50

1.00

0.9615 1.2500 0.8970 1.9734

1.2500

0.7234

19.6 19.6

8.08 4.67

8.08 12.75 17.90

3

4.4 8.3

1.00

0.6980 3.0712

1.0978

27.0

5.15 3.73

4

1.89

0.4658 3.8661

0.7949

27.0 27.0

21.63 23.98

5 13.6 3.01 0.3212 4.3676 0.5015 2.35

直到 Δsn＜0.025Σsi，计算最终沉降量：

1.75＋2.27＋2.09 ? A 1.27＋0.84＋＝＝24.6 MPa E s ＝ A

?si

19.6 27

查《规范》表 R.0.3， s ＝15 MPa 时，ψp＝0.5； s ＝25 MPa 时，ψp＝0.4，则线性

内插得： E s ＝24.7 MPa 时ψp＝0.396

s＝ψp s′＝0.396×23.98＝9.50 mm 由上述两种方法计算得沉降量均不大。 （七）、绘制施工图

施工图见附图“结施 01”。

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参考文献

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[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.

建筑工业出版社，2008.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.

中国建筑工业出版社，2010. 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[M].北京： 建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）[M].北京：中国

[4] 周景星，李广信等. 基础工程 [M].北京：清华大学出版社，2007.第 2 版.

[5] 陈希哲，叶菁. 土力学地基基础 [M].北京：清华大学出版社，2013.第 5 版.

[6] 张克恭，刘松玉. 土力学 [M].北京：中国建筑工业出版社，2010.第 3 版.

[7] 本书编委会. 建筑地基基础设计规范理解与应用 [M].北京：中国建筑工业出版社，2012. 第 2 版.

[8] 朱炳寅，娄宇，杨琦. 建筑地基基础设计方法及实例分析 [M].北京：中国建筑工业出 版社，2013. 第 2 版.

[9] 朱浮声. 地基基础设计与计算 [M].北京：人民交通出版社，2005.

[10] 王宁.地基基础设计问答实录 [M].北京：机械工业出版社，2009.

[11] 中国建筑标准设计研究院. 国家建筑标准图集混凝土结构施工图平面整体表示方法制 图规则和构造详图（独立基础、条形基础、筏形基础及桩基承台）11G101-3 [M].北京：中 国计划出版社，2011.

[12] 张晓范，吕志忠，姜继红，胡铁明. 关于地基压力扩散角 θ 的取值方法的探讨 [J].沈阳 大学学报，2007,19（2）：103～104.

[13] 姜安龙，郭云英，高大钊. 扩展基础高度确定的简化方法 [J].建筑结构，2005,35（7）： 26～27.

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后 记

本学期学习了郭小刚老师授课的基础工程，与其配套的实践性教学环节 “地基基础课 程设计”是对这门课程是否真正掌握的一次检验，也是一次重新梳理和查漏补缺的过程。首 先感谢郭老师平时上课时给我们在专业知识上的帮助。

独立地完成一份优质的课程设计并不容易，我通过图书馆、网页查阅了很多有关资料， 还认真阅读了一遍教材，熟悉了相关的最新规范。设计的过程中还需综合运用已经学过的其 他专业课的知识，如曹爱国老师的《土力学》、刘忠老师的《混凝土结构设计原理》、屈畅姿 老师的《荷载与结构设计方法》等，我充分体会到土木工程学科的整体性。很多专业知识都 是紧密相连的，要学会举一反三，融会贯通。设计过程中，我还特别注意了各种符号、单位、 公式的书写，一笔一划的完成 Auto CAD 制图，这些都使我的专业素养得到了极大的锻炼。

我努力地做到面面俱到，每一步计算、验算都认真地查阅了规范，把这次课程设计当 做一个工程项目来做，向毕业设计的水准看齐。但是，由于专业知识掌握得不牢，还有学术 水平的限制，难免出现错误和纰漏，恳请老师指正。

学好土木工程来不得半点马虎，因为我们将来搞工程建设乃是关乎生命安全和生存空 间的大事。工程事故常有发生，设计过程中每一个不起眼的疏忽都有可能带来无法挽回的损 失。我将在今后的学习工作中，更加努力，更加认真，更加细致。

郭老师上课时，每一章的前面都要附一概括章节内容的句子，我把它摘录下来：

万丈高楼平地起，祸福勘探要仔细。

基础首当浅着地，只要地基肯同意。

基础连续成一体，地基刚度来维系。

更上危楼温柔寄，顶天入地靠桩基。

这些句子连成一首小诗，是我们学习基础工程各章的要点，也作为我学习基础工程的指 南。

万梓豪

于 2014 年寒假

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