談?shì)p鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

劉 濤 焦蕊蕊

(中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽 457001)

輕鋼結(jié)構(gòu)是一種廣泛運(yùn)用于工業(yè)與民用建筑的結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)是施工速度快，自重輕，同時(shí)輕鋼結(jié)構(gòu)的上部荷載通常較小，一般來說，輕鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)費(fèi)用要比混凝土結(jié)構(gòu)低。由于輕鋼結(jié)構(gòu)的自重較小，而跨度較大，很多情況下控制因素是由風(fēng)荷載等水平力來控制，因此抵抗傾覆和上拔等和普通混凝土結(jié)構(gòu)物有所不同。輕鋼結(jié)構(gòu)的這些受力特點(diǎn)，以及其連接方式，導(dǎo)致其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與其他結(jié)構(gòu)存在一定的差異，本文就輕鋼結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)有國(guó)家規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

1 基礎(chǔ)形式的選擇

常見的輕鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式多為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，并用連系梁進(jìn)行連接，以提高基礎(chǔ)沉降的均勻性。地質(zhì)條件較差的情況下可采用柱下條基，如上部結(jié)構(gòu)較大或者地質(zhì)情況很差，如淤泥等，可采用樁基礎(chǔ)，采用柱下樁基礎(chǔ)時(shí)，在不能設(shè)置雙向基礎(chǔ)拉梁時(shí)不宜采用單樁基礎(chǔ)。

2 柱腳傳力形式和特點(diǎn)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接均為剛接，即有彎矩傳遞于基礎(chǔ)，這樣的情況下基礎(chǔ)的尺寸比較大，不同于混凝土的是，輕鋼結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)既可以設(shè)計(jì)成剛接，也可以設(shè)計(jì)成鉸接，同樣的一個(gè)荷載形式下，柱腳剛接與柱腳鉸接相比，通常剛接上部結(jié)構(gòu)用鋼量要偏小，但基礎(chǔ)較大。

剛接與鉸接的區(qū)別在于柱底是否有轉(zhuǎn)動(dòng)約束，即剛接柱腳可以傳遞彎矩，鉸接柱腳不能傳遞彎矩(見圖1，圖2)。這樣對(duì)剛接柱腳的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，上部力就有軸力，剪力加彎矩，鉸接柱腳僅有軸力和剪力。剛接或鉸接柱腳關(guān)鍵取決于錨栓布置，鉸接柱腳一般采用2個(gè)或4個(gè)錨栓，且居于柱子截面以內(nèi)，以保證其充分轉(zhuǎn)動(dòng)，美國(guó)質(zhì)量環(huán)境安全規(guī)范要求所有的鋼結(jié)構(gòu)的底板必須是4個(gè)錨栓，以考慮其在施工安裝時(shí)的安全性，盡管設(shè)置在柱子截面內(nèi)的2個(gè)錨栓或4個(gè)錨栓其實(shí)還是能傳遞很小一部分彎矩的，但在實(shí)際建模計(jì)算時(shí)，還是認(rèn)為其是鉸接。剛接柱腳一般采用4個(gè)或4個(gè)以上錨栓連接，錨栓位置居于柱外側(cè)，并保證柱底板有必要的剛度抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)，可以認(rèn)為柱腳不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 鉸接柱腳

圖2 剛接柱腳

采用何種形式的柱底板連接形式應(yīng)根據(jù)不同的情況而定，剛接柱腳通常用于對(duì)結(jié)構(gòu)物側(cè)移要求嚴(yán)格的，采用剛接柱腳，同樣的荷載情況下，結(jié)構(gòu)的相對(duì)水平位移要比鉸接柱腳小得多，通常帶吊車廠房柱采用剛接柱腳就是基于此點(diǎn)，吊車荷載對(duì)側(cè)移比較敏感，側(cè)移過大，可能會(huì)導(dǎo)致吊車卡軌，對(duì)于某些對(duì)水平位移要求較高的建筑物，也應(yīng)優(yōu)先選用剛接柱腳。當(dāng)然也不是絕對(duì)的，如果水平位移在計(jì)算時(shí)能滿足規(guī)范對(duì)水平位移的限制，鉸接柱腳也可以使用。對(duì)工程上常見的以圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的門式剛架無吊車廠房，柱腳通常設(shè)計(jì)成鉸接;一般說來，同樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)，采用鉸接柱腳的基礎(chǔ)要比采用剛接柱腳的基礎(chǔ)節(jié)省材料和造價(jià)。

3 基礎(chǔ)典型的破壞形式

由于輕鋼結(jié)構(gòu)的自重較小，跨度較大，因此其基礎(chǔ)的典型破壞形式和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的典型破壞形式不太一樣。

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，通常柱網(wǎng)尺寸較小，故柱底水平力相對(duì)較小，基礎(chǔ)一般不會(huì)產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，又由于上部結(jié)構(gòu)自重很大，足以抵抗風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的上拔力，故基礎(chǔ)也不會(huì)產(chǎn)生上拔的可能，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)主要的破壞模式是沖切破壞，即來自上部結(jié)構(gòu)的向下豎向力對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生的沖切作用基礎(chǔ)的底板因厚度不足而產(chǎn)生的破壞，或者是基礎(chǔ)底面積不足而導(dǎo)致的基礎(chǔ)沉降過大或地基的剪切破壞。但總的來說，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制因素是向下的豎向力。輕鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)則不同，相對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的豎向力而言，存在一個(gè)較大的水平力(如風(fēng)荷載產(chǎn)生的)，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)而言，如半開敞式結(jié)構(gòu)，由于自重較小，而風(fēng)荷載還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的力，這時(shí)如果結(jié)構(gòu)自重不能抵消向上的風(fēng)荷載，那么基礎(chǔ)還需要考慮上拔力的工況，同時(shí)固接柱腳情況下，還存在較大的彎矩作用。因此輕鋼結(jié)構(gòu)物相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)物而言，由于自重輕，破壞形式更易出現(xiàn)傾覆、滑移和上拔的可能，其主要原因是上部結(jié)構(gòu)自重小。如果設(shè)計(jì)時(shí)面臨上述問題，通常采用的做法是加大埋深，即提高基礎(chǔ)自身的覆土重以抵抗傾覆和上拔以及提高基礎(chǔ)的被動(dòng)土壓力以抵抗水平力。另外對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，因?yàn)橐蓄A(yù)埋螺栓用于上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的連接，因此保證錨栓與基礎(chǔ)的可靠連接，既要保證錨栓的長(zhǎng)度使其與基礎(chǔ)混凝土的可靠粘結(jié)，也要保證錨栓與基礎(chǔ)的邊緣有一定的距離而基礎(chǔ)不會(huì)發(fā)生劈裂破壞。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般包括根據(jù)地基承載力容許值(根據(jù)寬度和深度修正后的)和上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載(標(biāo)準(zhǔn)組合)來確定基礎(chǔ)底面積、通過上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載(基本組合)、基礎(chǔ)的高度(主要控制因素是抗沖切)和配筋計(jì)算(基底反力對(duì)基礎(chǔ)底板產(chǎn)生的彎矩)，在滿足內(nèi)力的計(jì)算情況下，還要符合相關(guān)的構(gòu)造措施。輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)除上述內(nèi)容以外，還須進(jìn)行柱底板設(shè)計(jì)和錨栓設(shè)計(jì)，柱底板尺寸是根據(jù)柱與基礎(chǔ)連接部位混凝土的局部承壓來確定的，與基礎(chǔ)混凝土參數(shù)有關(guān)，但其制作又與上部結(jié)構(gòu)連在一起，按照常規(guī)柱底板設(shè)計(jì)歸入上部結(jié)構(gòu);錨栓在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間起橋梁作用，但基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)將錨栓埋入，故屬于基礎(chǔ)部分。

錨栓是將上部結(jié)構(gòu)荷載傳給基礎(chǔ)，在上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間起橋梁作用。錨栓主要有兩個(gè)基本作用:

1)作為安裝時(shí)臨時(shí)支撐，保證鋼柱定位和安裝穩(wěn)定性。2)將柱腳底板內(nèi)力傳給基礎(chǔ)。

對(duì)于鉸接柱腳，錨栓直徑由構(gòu)造確定，一般不小于M20;對(duì)于剛接柱腳，錨栓直徑由計(jì)算確定，一般不小于M30。錨栓長(zhǎng)度由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)確定，若錨栓埋入基礎(chǔ)中長(zhǎng)度不能滿足要求，則考慮將其焊于附加鋼筋。為方便柱安裝和調(diào)整，一般柱底板上錨栓孔較錨栓直徑大3 mm～4 mm，底板上須設(shè)置墊板，墊板尺寸一般為100×100，厚度根據(jù)計(jì)算確定，墊板上開孔較錨栓直徑大1 mm～2 mm，待安裝、校正完畢后將墊板焊于底板上。

另外需要注意的是，在對(duì)基礎(chǔ)底板進(jìn)行抗水平力設(shè)計(jì)時(shí)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范是不允許錨栓抗剪的，剪力是靠底板在上部向下的豎向力作用下與基礎(chǔ)頂面的摩擦力來傳遞的，若單靠摩擦力的作用不能抵抗水平力的情況下，要采用抗剪鍵將柱底的水平力傳遞到基礎(chǔ)上?？辜翩I的設(shè)計(jì)要考慮混凝土的局部抗壓強(qiáng)度和抗剪鍵的截面抗彎能力。

5 與上部結(jié)構(gòu)連接

基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)是二次施工完成的，其間存在連接問題?；炷两Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是通過預(yù)留插筋的方式，留有施工縫連接上部結(jié)構(gòu)的混凝土的澆筑，而對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，則通過預(yù)埋錨栓的方式進(jìn)行連接，見圖3，圖4。

圖3 混凝土柱基礎(chǔ)預(yù)留插筋

圖4 鋼柱基礎(chǔ)預(yù)留錨栓

6 其他的構(gòu)造措施

除上述提到的幾個(gè)方面之外，輕鋼結(jié)構(gòu)還有一些構(gòu)造措施有別于其他結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，比如基礎(chǔ)頂面須設(shè)置二次澆灌層，以便調(diào)平柱底板。埋入式柱腳應(yīng)在鋼柱埋入部分設(shè)置栓釘;柱底板尺寸應(yīng)在基礎(chǔ)短柱箍筋范圍內(nèi)，以免局部對(duì)基礎(chǔ)保護(hù)層壓壞等等。

［1］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004:141-143.