式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房基礎(chǔ)設(shè)計

1、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的基礎(chǔ)設(shè)計摘要 ：對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房來說，自重過輕或水平推力過大造成基礎(chǔ)偏心距過大。根據(jù)所從事的幾個門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中遇到的問題提出了采用增加基礎(chǔ)壓重、偏心基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的解決方法。詳細(xì)闡述了在廠房的基礎(chǔ)設(shè)計中基礎(chǔ)形式的選擇和優(yōu)化，并提出了一些切實(shí)可行的構(gòu)造措施。關(guān)鍵詞 ：輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架基礎(chǔ)偏心距一、概述鋼結(jié)構(gòu)廠房系統(tǒng)中， 當(dāng)跨度較大且吊車噸位較大 （單跨 220t 或更大）時，水平風(fēng)荷載并未因結(jié)構(gòu)自重的降低而減小，結(jié)果造成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)垂直反力過小而彎矩較大，另一種情況是大跨度拱形網(wǎng)架的自身結(jié)構(gòu)水平推力過大，結(jié)果也造成基礎(chǔ)彎矩較大，即基礎(chǔ)偏心距過大，這給基礎(chǔ)設(shè)計造

2、成很大困難。本人就在若干工程的基礎(chǔ)設(shè)計中遇到的一些問題及解決方法進(jìn)行探討。二、鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計特點(diǎn)與要求1. 基礎(chǔ)受力特點(diǎn)對于鋼結(jié)構(gòu)廠房鉸接柱腳，基礎(chǔ)僅受軸心荷載作用，由于沒有附加彎矩引起的偏心距e 的作用，設(shè)計相對比較簡單；而對于剛接柱腳，基礎(chǔ)則要受附加彎矩及鋼柱柱底水平力引起的偏心荷載共同作用（圖1），偏心距為e= （ M+Vh ）/（ N+G ）對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)廠房來說， 以下因素也往往決定了基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)： 1）大跨度拱形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，使自身支座處水平推力較大，甚至比豎向反力還大，這時由水平力引起的水平位移將難以控制； 2）大跨度平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由于自身撓度引起支座處的水平反力也比較大，這時傳遞到

3、基底的彎矩也比較大，從而使基礎(chǔ)偏心距e 較大。對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房來說，以下因素往往決定了基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)： 1）廠房多臺吊車，有時吊車噸位較大，橫向水平位移難以控制，要求柱腳剛接，縱向水平荷載由柱間支撐承受，故柱腳多為鉸接；2）由于鋼結(jié)構(gòu)自振周期較長，而結(jié)構(gòu)自重較輕，水平地震作用相對較小，水平控制荷載多為風(fēng)荷載加吊車水平制動荷載；3）結(jié)構(gòu)重量輕，風(fēng)荷載和吊車水平制動荷載相對較大，從而造成基礎(chǔ)偏心距e 較大，一般最大偏心距可達(dá)1.5 2.0 左右； 4）門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房單層或單層帶夾層，基礎(chǔ)多采用單獨(dú)基礎(chǔ)，而且埋深覺淺。2. 廠房基礎(chǔ)的設(shè)計要求根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，偏心基礎(chǔ)的

4、設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：當(dāng)eb/6 時pmax =（ F+G）/A+M/Wpmin =（ F+G） /A+M/W當(dāng) e b/6時pmax =2 （ F+G）/3la兩端均要求滿足pmax 1.2f其中， b 為基礎(chǔ)寬度； l 為垂直于力距作用方向的基礎(chǔ)底面邊長； a 為合力作用點(diǎn)至基礎(chǔ)底面最大壓力邊緣的距離；f 為地基土承載力設(shè)計值（考慮深度和寬度修正）。由于偏心荷載作用下基礎(chǔ)反力的不均勻性，可能使基礎(chǔ)發(fā)生傾斜，甚至?xí)绊憦S房特別是帶有吊車的工業(yè)廠房的正常使用，因此對基底土壓力分不作以下限制：1）對于fk 180kN/m 2 ，吊車起重量大于 75t 的單層廠房柱基，或?qū)τ?fk 105kN/m

5、2 ，吊車起重量大于 15t 的露天跨柱基， 要求 pmin / pmax 0.25 ，其中 fk 為地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值； 2對于承受一般吊車荷載的柱基，要求pmin 0，即不出現(xiàn)基礎(chǔ)底面與地基脫離。要滿足此條件，偏心距e 最大位 b/6 ；3對于僅有風(fēng)荷載而無吊車荷載的柱基，允許基礎(chǔ)底面不完全與地基接觸，但接觸部分長度與基礎(chǔ)長度之比L1 /L1 0.75 ，同時還應(yīng)驗(yàn)算基礎(chǔ)底板受拉一邊在底板自重及上部土的重力荷載作用下的抗彎強(qiáng)度。門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程對門式剛架柱腳的設(shè)計也作了規(guī)定：門式剛架的柱腳多按鉸接支承設(shè)計，通常為平板支座，設(shè)一對或兩對地腳錨栓。當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳

6、設(shè)計成剛接。三、基礎(chǔ)形式的選擇由于以上受力特點(diǎn)及設(shè)計要求， 對于有吊車的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)通常采用剛性注腳。該柱腳形式可以提高廠房的整體剛度，從而減少側(cè)移。但這樣一來，基礎(chǔ)一般有較大的彎矩。這個問題在門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中尤為明顯。由于自重輕，水平荷載與豎向荷載比值較大，在風(fēng)荷載及吊車的共同作用下，廠房邊列柱柱底荷載偏心距較大。根據(jù)筆者的工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，偏心距一般在 1.0m 左右，有時甚至達(dá)到 1.5 2.0m 。根據(jù)以上分析，按常規(guī)的單獨(dú)基礎(chǔ)設(shè)計，基礎(chǔ)的寬度將達(dá)到 6 12m ，這在實(shí)際工程中是難以接受的。通過研究分析，我們認(rèn)為可以采用以下方法加以解決：1. 增加基礎(chǔ)壓重 G根據(jù)式，在柱腳內(nèi)力（

7、 M ， V， N）和基礎(chǔ)形式（ b，h）已確定的情況下， 增加基礎(chǔ)壓重 G 是減少 e 的較好措施，實(shí)際工程中通常有兩種方法可以操作：廠房設(shè)底部加重墻： 一般為粘土磚， 并使其重量通過基礎(chǔ)梁傳到基礎(chǔ)上。 設(shè)墻高為 Hw（一般為基礎(chǔ)頂面至窗臺的高度），厚為 Dw ，柱距為 Hw ，磚墻的重度為 w ，則每個基礎(chǔ)因此而增加的重力為G =H w Lw Dw/2 。一般Lw =6 9m ，D w=370 540mm，H w=2.0 3.0m，w20KN/m3，可得G=50 150KN，而N 值的數(shù)量級在100 1000KN范圍內(nèi)變化?？梢?，若能充分利用維護(hù)墻重，不失為減少基礎(chǔ)偏心距的好辦法。 但此法

8、往往受墻體材料、墻高及建筑要求的限制。增加基礎(chǔ)埋深： 增加基礎(chǔ)埋深對基礎(chǔ)設(shè)計來說變化有兩個，其一是考慮深度修正后的地基承載力設(shè)計值f 增大，但這對受偏心距控制的基礎(chǔ)來說無關(guān)緊要；其二是基礎(chǔ)底面以上壓重G 增大，這對降低偏心距e 來說是有利的。實(shí)際工程中通過增加基礎(chǔ)埋深來降低偏心距可以有兩種方法：一是保持柱底標(biāo)高不變，即通過增加混凝土基礎(chǔ)的高度 h 來實(shí)現(xiàn)。顯然采用這種辦法來增加G 并非經(jīng)濟(jì)之舉，并且增加 h 的同時會增大由柱腳水平剪力V 引起的附加彎矩Vh ；另一種作法是降低柱底標(biāo)高使h 不變，但該方法使剛架柱長度加大，又使柱腳的反力增加（特別是M 值），同時剛架用鋼量和基礎(chǔ)工程量增加。所以，

9、通過增加基礎(chǔ)埋深來降低偏心距 e 的作法在一定范圍內(nèi)是有效的，在設(shè)計中要綜合考慮，全面衡量。2. 采用偏心基礎(chǔ)此方法只適用于偏心距e 較小的情況， 其原理就是使基礎(chǔ)本身受力偏心， 相當(dāng)于針對較大的M 增加一個反向的彎矩M =Ne ，使基礎(chǔ)滿足設(shè)計要求。此種基礎(chǔ)形式在工程中較少采用，一般若吊車噸位不太大，可以考慮采用柱下偏心基礎(chǔ)的形式。但此時為保證基礎(chǔ)不致過分傾斜，基礎(chǔ)和基底土接觸不脫離，基礎(chǔ)底面偏心距必須滿足：e1=e2=pmax 1.2f式中： M max ，M min 分別為單向計算水平荷載時， 邊柱柱腳處的最大和最小彎矩值； N，V，G 分別為相應(yīng)的軸力、剪力和壓重。偏心基礎(chǔ)一般可以減少

10、基礎(chǔ)尺寸，但對于大噸位和重級工作制吊車，該方法應(yīng)謹(jǐn)慎使用。3. 采用重力式擋土墻基礎(chǔ)這種方法適用于跨度較大的拱形鋼網(wǎng)架基礎(chǔ)，因?yàn)楣靶谓Y(jié)構(gòu)造成水平推力較大，這時水平推力甚至遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)豎向力，采用一般的常規(guī)基礎(chǔ)很難設(shè)計要求，此時采用這種基礎(chǔ)利用基礎(chǔ)背后的被動土壓力來抵消部分水平力，同時將基礎(chǔ)設(shè)計成楔形基礎(chǔ)，使基礎(chǔ)地面的法線與上部結(jié)構(gòu)的傳力方向保持一致，使基礎(chǔ)實(shí)際處于軸向受力狀態(tài)。從而簡化了基礎(chǔ)設(shè)計。本人在海螺集團(tuán)寧國水泥廠三線石灰石預(yù)均化堆場鋼網(wǎng)架工程、海螺集團(tuán)懷林水泥廠石灰石預(yù)均化堆場以及中國水泥廠、浙江長興錦龍水泥有限公司等系列石灰石預(yù)均化堆場鋼網(wǎng)架工程中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。4. 采用樁基礎(chǔ)

11、對于偏心距過大的基礎(chǔ)，當(dāng)采用以上方法不能解決時，可以考慮樁基礎(chǔ)。常用的樁種類較多，除碎石樁、壓孔樁和灌注樁外，應(yīng)用較多的為預(yù)制鋼筋混凝土樁。但采用樁基不僅增加了設(shè)計施工的復(fù)雜性，而且造價往往較高，因而是門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)設(shè)計中最后不得已采用的基礎(chǔ)形式。本人結(jié)合參加的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房基礎(chǔ)設(shè)計， 分析了在不同荷載偏心距 e 下，以上幾種解決方法的有效性、合理性和經(jīng)濟(jì)性，具體結(jié)論為：e15m時，增加壓重的方法較為有效； e0.5m 時，采用偏心基礎(chǔ)較為有效；e 0.5m 時，采用樁基礎(chǔ)較為有效。四、基礎(chǔ)的構(gòu)造與施工1. 錨栓采用鋼筋籠定位：當(dāng)采用靴梁式剛性柱腳時，需要在鋼筋混凝土基礎(chǔ)中預(yù)埋錨栓

12、，而錨栓的定位往往是施工中一件令人頭疼的問題。以往的方法是或?qū)㈠^栓焊于鋼筋混凝土基礎(chǔ)的預(yù)埋底板上，或在四根錨栓上臨時套上木板卡子然后進(jìn)行混凝土的澆筑和振搗。但這些方法不能將錨栓完全固定，很難取得較好的效果，需要反復(fù)調(diào)整，甚至將凝固好的基礎(chǔ)混凝土打掉重來。為克服錨栓定位誤差的問題，特設(shè)計了如圖 3 所示的鋼筋籠，并將錨栓和基礎(chǔ)底部鋼筋網(wǎng)牢牢固定在一起。這樣既保證四根錨栓的相對位置不變，又使基礎(chǔ)施工方便快捷。以上列舉的兩工程施工結(jié)果表明，該改進(jìn)方法令人滿意。2. 基礎(chǔ)梁施工： 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的維護(hù)墻全部或部分采用自承重砌體墻時，必須設(shè)計基礎(chǔ)梁以承受墻體的自重。通常基礎(chǔ)梁均做成簡支，采用預(yù)制或現(xiàn)澆

13、的方式。采用現(xiàn)澆的方式時，由于基礎(chǔ)梁底部支模的要求，基礎(chǔ)梁兩邊的磚壁必須分開砌筑，不能一次砌筑（圖 4）。因此，施工較麻煩。采用預(yù)制形式相對簡單一些，但需要在地基的兩端及基礎(chǔ)頂部預(yù)埋焊件。施工時都不大方便。筆者在基礎(chǔ)梁設(shè)計中采用了預(yù)制加現(xiàn)澆的方式（圖 5），即將基礎(chǔ)梁的主體部分事先在與之長或現(xiàn)場預(yù)制好，但兩端留出部分鋼筋。這樣，這部分的基礎(chǔ)梁可和鋼柱柱腳混凝土保護(hù)層一并澆筑，省時省力，取得了較好的效果。五、結(jié)束語通過幾年的工程實(shí)踐，本人有以下幾點(diǎn)體會：認(rèn)真學(xué)習(xí)技術(shù)規(guī)范， 不僅要熟悉規(guī)范的條文， 還要切實(shí)理解條文原理及其應(yīng)用條件。通過對技術(shù)規(guī)范， 力學(xué)知識結(jié)構(gòu)原理等的學(xué)習(xí)， 建立清晰的結(jié)構(gòu)概念，這樣才能正確處理實(shí)際工程中遇到的各種非常規(guī)問題。了解施工方法、 工藝等