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1、钢结构工业厂房的基础设计一、概述钢结构厂房系统中，当跨度较大且吊车吨位较大（单跨220t 或更大） 时，水平风荷载并未因结 构自重的降低而减小，结果造成结构基础垂直反力过小而弯矩较大，另一种情况是大跨度拱形网架的自身结构水平推力过大，结果也造成基础弯矩较大，即基础偏心距过大，这给基础设计造成很大困难。本人就在若干工程的基础设计中遇到的一些问题及解决方法进行探讨。二、钢结构基础设计特点与要求1.基础受力特点对于钢结构厂房铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，由于没有附加弯矩引起的偏心距 e 的作用， 设计相对比较简单；而对于刚接柱脚，基础则要受附加弯矩及钢柱柱底水平力引起的偏心荷载共同作用（图 1），
2、偏心距为e=（M+Vh）/（N+G） 对于网架结构厂房来说，以下因素也往往决定了基础的受力特点：1）大跨度拱形网壳结构，使自身支座处水平推力较大，甚至比竖向反力还大，这时由水平力引起的水平位移将难以控制；2）大跨度平板网架结构，由于自身挠度引起支座处的水平反力也比较大，这时传递到基底的弯矩也比较大，从而使基础偏心距 e 较大。对门式刚架轻型钢结构厂房来说，以下因素往往决定了基础的受力特点：1）厂房多台吊车，有时吊车吨位较大，横向水平位移难以控制，要求柱脚刚接，纵向水平荷载由柱间支撑承受，故柱脚多为铰接；2）由于钢结构自振周期较长，而结构自重较轻，水平地震作用相对较小，水平控制荷载多为风荷载加吊
3、车水平制动荷载；3）结构重量轻，风荷载和吊车水平制动荷载相对较大，从而造成基础偏心距 e 较大，一般最大偏心距可达 1.52.0 左右；4）门式刚架轻型钢结构厂房单层或单层带夹层，基础多采用单独基础，而且埋深觉浅。2.厂房基础的设计要求根据建筑地基基础设计规范中规定，偏心基础的设计应遵循以下原则：当 eb/6 时pmax=（F+G）/A+M/W pmin=（F+G）/A+M/W 当 e b/6 时pmax=2（F+G）/3la两端均要求满足pmax1.2f其中，b 为基础宽度；l 为垂直于力距作用方向的基础底面边长；a 为合力作用点至基 础底面最大 压力边缘的距离；f为地基土承载力设计值（考虑
4、深度和宽度修正）。由于偏心荷载作用下基础反力的不均匀性，可能使基础发生倾斜，甚至会影响厂房特别是带有吊车的工业厂房的正常使用，因此对基底土压力分不作以下限制：1）对于fk180kN/m 2，吊车 起重量大于 75t 的 单层厂房柱基，或对于 fk105kN/m 2，吊 车起重量大于 15t 的露天跨柱基，要求pmin/ pmax0.25，其中 fk为地基承载力标 准值；2对于承受一般吊车荷载的柱基，要求 pmin0，即不出 现基础底面与地基脱离。要满足此条件，偏心距 e 最大位 b/6；3对于仅有风荷载而无吊车荷载的柱基，允许基础底面不完全与地基接触，但接触部分长度与基础长度之比 L1/L10
5、.75，同时还应验算基础底板受拉一边在底板自重及上部土的重力荷载作用下的抗弯强度。门式刚架房屋钢结构设计规程对门式刚架柱脚的设计也作了规定：门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚锚栓。当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。三、基础形式的选择由于以上受力特点及设计要求，对于有吊车的工业厂房结构通常采用刚性注脚。该柱脚形式可以提高厂房的整体刚度，从而减少侧移。但这样一来，基础一般有较大的弯矩。这个问题在门式刚架轻型钢结构体系中尤为明显。由于自重轻，水平荷载与竖向荷载比值较大，在风荷载及吊车的共同作用下，厂房边列柱柱底荷载偏心距较大。根据笔者的工程设计经验，偏心
6、距一般在 1.0m 左右，有时甚至达到 1.52.0m。根据以上分析，按常规的单独基础设计，基础的宽度将达到612m，这在实际工程中是难以接受的。通过研究分析，我们认为可以采用以下方法加以解决：1.增加基础压重 G根据式，在柱脚内力（M，V ，N）和基础形式（b，h）已确定的情况下，增加基础压重 G 是减少 e 的较好措施，实际工程中通常有两种方法可以操作：厂房设底部加重墙：一般为粘土砖，并使其重量通过基础梁传到基础上。设墙高为 Hw（一般为基础顶面至窗台的高度），厚为 Dw，柱距为 Hw，砖墙的重度为 w，则每个基础因此而增加的重力为 G=HwLwDw/2。一般Lw=69m ，Dw=3705
7、40mm，H w=2.03.0m， w20KN/m3，可得 G=50150KN ，而 N 值的数量级在 1001000KN 范围内变化。可见，若能充分利用维护墙重，不失为减少基础偏心距的好办法。但此法往往受墙体材料、墙高及建筑要求的限制。增加基础埋深：增加基础埋深对基础设计来说变化有两个，其一是考虑深度修正后的地基承载力设计值 f 增大，但这对受偏心距控制的基础来说无关紧要；其二是基础底面以上压重 G 增大，这对 降低偏心距 e 来 说是有利的。实际工程中通过增加基础埋深来降低偏心距可以有两种方法：一是保持柱底标高不变，即通过增加混凝土基础的高度 h 来实现。显然采用这种办法来增加 G 并非经
8、济之举，并且增加 h 的同时会增大由柱脚水平剪力 V 引起的附加弯矩 Vh；另一种作法是降低柱底标高使 h 不变，但该方法使刚架柱长度加大，又使柱脚的反力增加（特别是 M 值），同时刚架用钢量和基础工程量增加。所以，通过增加基础埋深来降低偏心距 e 的作法在一定范 围内是有效的，在设计中要综合考虑，全面衡量。2.采用偏心基础此方法只适用于偏心距 e 较小的情况，其原理就是使基础本身受力偏心，相当于针对较大的 M 增加一个反向的弯矩 M=Ne，使基础满 足设计要求。此种基础形式在工程中较少采用，一般若吊车吨位不太大，可以考虑采用柱下偏心基础的形式。但此时为保证基础不致过分倾斜，基础和基底土接触不
9、脱离，基础底面偏心距必须满足：e1=e2=pmax1.2f式中：M max，Mmin 分别为单向计算水平荷载时，边柱柱脚处的最大和最小弯矩值；N，V ，G 分 别为相应的轴力、剪力和压重。偏心基础一般可以减少基础尺寸，但对于大吨位和重级工作制吊车，该方法应谨慎使用。3.采用重力式挡土墙基础这种方法适用于跨度较大的拱形钢网架基础，因为拱形结构造成水平推力较大，这时水平推力甚至远大于结构竖向力，采用一般的常规基础很难设计要求，此时采用这种基础利用基础背后的被动土压力来抵消部分水平力，同时将基础设计成楔形基础，使基础地面的法线与上部结构的传力方向保持一致，使基础实际处于轴向受力状态。从而简化了基础设
10、计。本人在海螺集团宁国水泥厂三线石灰石预均化堆场钢网架工程、海螺集团怀林水泥厂石灰石预均化堆场以及中国水泥厂、浙江长兴锦龙水泥有限公司等系列石灰石预均化堆场钢网架工程中取得了较好的经济效果。4.采用桩基础对于偏心距过大的基础，当采用以上方法不能解决时，可以考虑桩基础。常用的桩种类较多，除碎石桩、压孔桩和灌注桩外，应用较多的为预制钢筋混凝土桩。但采用桩基不仅增加了设计施工的复杂性，而且造价往往较高，因而是门式刚架轻型钢结构厂房基础设计中最后不得已采用的基础形式。本人结合参加的钢结构工业厂房基础设计，分析了在不同荷载偏心距 e 下，以上几种解决方法的有效性、合理性和经济性，具体结论为：e15m 时
11、，增加压重的方法较为有效；e0.5m 时，采用偏心基础较为有效；e 0.5m 时，采用桩基础较为有效。四、基础的构造与施工1.锚栓采用钢筋笼定位：当采用靴梁式刚性柱脚时，需要在钢筋混凝土基础中预埋锚栓，而锚栓的定位往往是施工中一件令人头疼的问题。以往的方法是或将锚栓焊于钢筋混凝土基础的预埋底板上，或在四根锚栓上临时套上木板卡子然后进行混凝土的浇筑和振捣。但这些方法不能将锚栓完全固定，很难取得较好的效果，需要反复调整，甚至将凝固好的基础混凝土打掉重来。为克服锚栓定位误差的问题，特设计了如图 3 所示的钢筋笼，并将锚栓和基础底部钢筋网牢牢固定在一起。这样既保证四根锚栓的相对位置不变，又使基础施工方
12、便快捷。以上列举的两工程施工结果表明，该改进方法令人满意。2.基础梁施工：当钢结构工业厂房的维护墙全部或部分采用自承重砌体墙时，必须设计基础梁以承受墙体的自重。通常基础梁均做成简支，采用预制或现浇的方式。采用现浇的方式时，由于基础梁底部支模的要求，基础梁两边的砖壁必须分开砌筑，不能一次砌筑（图 4）。因此，施工较麻烦。采用预制形式相对简单一些，但需要在地基的两端及基础顶部预埋焊件。施工时都不大方便。笔者在基础梁设计中采用了预制加现浇的方式（图 5），即将基础梁的主体部分事先在与之长或现场预制好，但两端留出部分钢筋。这样，这部分的基础梁可和钢柱柱脚混凝土保护层一并浇筑，省时省力，取得了较好的效果
13、。五、结束语通过几年的工程实践，本人有以下几点体会：认真学习技术规范，不仅要熟悉规范的条文，还要切实理解条文原理及其应用条件。通过对技术规范，力学知识结构原理等的学习，建立清晰的结构概念，这样才能正确处理实际工程中遇到的各种非常规问题。了解施工方法、工艺等各种相关知识，提高设计人员的综合素质和设计水平，是结构设计不仅从技术上可行，还应争取在经济上最优，这样才能促使结构设计的健康发展。参考文献1. 建筑地基基础设计规范（GBJ7-2002）2. 弓晓芸.轻型钢结构建筑体系的发展及展望.工业建筑，1995，（7）3. 门式刚架房屋钢结构设计规程（CECS102:2002）4. 赵熙元等.建筑钢结构设计手册（上、下）.冶金工业出版社，1995
