門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

白穎

【摘要】輕鋼結(jié)構(gòu)房屋跨度大，體積大，造價(jià)低，安裝方便，工期短，具有低污染環(huán)境、建筑造型簡(jiǎn)潔美觀、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑，如工業(yè)建筑、倉(cāng)庫(kù)、展覽館等。

【關(guān)鍵詞】門(mén)式剛架；輕型鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

隨著當(dāng)前建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑之中，在鋼結(jié)構(gòu)之中，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)尤為出色。目前，輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房以其外形美觀，施工進(jìn)度快且綜合造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中廣泛使用。隨著門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的日益成熟，其在工業(yè)廠房中有廣闊應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)師要與時(shí)俱進(jìn)，掌握最新設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、合理、安全、環(huán)保的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)廠房。

1、門(mén)式剛架的結(jié)構(gòu)形式

門(mén)式剛架的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。按構(gòu)件體系分，有實(shí)腹式與格構(gòu)式；實(shí)腹式剛架的橫截面一般為H型，少數(shù)為Z型；格構(gòu)式的橫截面為矩形或三角形；按橫截面組成分，有等截面與變截面。按結(jié)構(gòu)選材分，有普通型鋼、薄壁型鋼、鋼管或鋼板焊成。

2、門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的單層廠房相比，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有：便于拆遷，可用于臨時(shí)建筑，這是其突出的特征。屋面板采用壓型鋼板輕型屋面、由于屋面輕了，支承它的結(jié)構(gòu)也很輕。至于外墻，用磚墻對(duì)隔熱和降低造價(jià)有利，但對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)移要求較嚴(yán)，外觀也較差，因此還是用鋼墻板者居多。剛架可采用變截面，截面與彎矩成正比。除腹板高度變化外，厚度也可根據(jù)需要變化，上下翼緣可用不同截面，相鄰單元的翼緣也可采用不同截面，充分做到材盡其用。剛架的腹板可按有效寬度設(shè)計(jì)，允許失穩(wěn)并可利用屈曲后強(qiáng)度。這樣，腹板的高厚比可做得比按現(xiàn)行《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的大，即腹板厚度可比一般鋼構(gòu)件薄，可做得很輕便。由于構(gòu)件輕，支撐用張緊的圓鋼即可滿(mǎn)足要求，因腹板允許失穩(wěn)，可將支撐直接連在腹板上，省去很多節(jié)點(diǎn)板。

對(duì)門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房來(lái)說(shuō)，以下因素往往決定了基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)：廠房設(shè)有多臺(tái)吊車(chē)，有時(shí)吊車(chē)噸位較大，橫向水平位移較難控制，要求橫向柱腳剛接；縱向水平荷載由柱向支撐承受，故縱向柱腳多為鉸接。由于鋼結(jié)構(gòu)自振周期較長(zhǎng)，而結(jié)構(gòu)自重較輕，水平地震作用相對(duì)較小，水平控制荷載多為風(fēng)荷載加吊車(chē)水平制動(dòng)荷載。結(jié)構(gòu)重量輕，風(fēng)荷和吊車(chē)水平制動(dòng)荷載相對(duì)較大，造成基礎(chǔ)偏心較大，一般最大偏心距可達(dá)1.5～2.5m左右。

3、門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1基礎(chǔ)形式的選擇研究

由于以上受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，對(duì)于有吊車(chē)的工業(yè)廠房，工程設(shè)計(jì)中通常采用剛性柱腳。該柱腳形式可以提高廠房整體剛度，從而減少側(cè)移。但這樣一來(lái)，基礎(chǔ)一般作用有較大彎矩，這個(gè)問(wèn)題在門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中尤為明顯。由于自重輕（如前所述），水平荷載與豎向荷載比較較大，在風(fēng)荷載及吊車(chē)荷載的共同作用下，廠房邊列柱底荷載偏心距較大。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，偏心距一般在1.0m左右，有時(shí)甚至達(dá)到1.5～2.5m。根據(jù)以上分析，按常規(guī)的單獨(dú)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，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(guò)研究分析，可以采用以下方法加以解決。

3.1.1增加基礎(chǔ)壓重

對(duì)于剛接柱腳，基礎(chǔ)則要受到偏心荷載的作用，偏心距e為：

e=（M+V·h）/N+G，在柱腳內(nèi)力（M，N，V）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(guò)地基梁傳到基礎(chǔ)上。設(shè)墻高為H（一般為基礎(chǔ)頂面至窗臺(tái)的高度），厚為D，柱距為L(zhǎng)，墻體磚容重為r，則每個(gè)基礎(chǔ)因此而增加的重量G′為：G′=（H·L·D·r）/2。

一般跨度L=6～9m，D=370～620mm，H=2.0～3.0m，r≈20kN/m3，可得G′=50～180kN，而N值的數(shù)量級(jí)在100～1000kN范圍變化?？梢?jiàn)，若能充分利用圍護(hù)墻重，不失為減少基礎(chǔ)偏心距的好辦法，但此法往往受墻體材料、墻高及建筑主面要求限制。

增加基礎(chǔ)埋置深度：增加基礎(chǔ)埋深對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，變化有兩個(gè)，其一使考慮深度修正后的地基承載力特征值fa增大，但這對(duì)受偏心矩控制的基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)緊要。其二是基礎(chǔ)底面以上壓重增大，這對(duì)降低偏心距e來(lái)說(shuō)是有利的。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中要通過(guò)增加基礎(chǔ)埋深來(lái)降低偏心矩可以有兩種做法，一是保持柱底標(biāo)高不變，即通過(guò)增加基礎(chǔ)高度h來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然用這種方法來(lái)增加G并非經(jīng)濟(jì)之舉，并且增加h同時(shí)會(huì)增大由柱腳水平剪力V引起的附加彎矩V·h。另一種做法是降低柱底標(biāo)高而使h不變，該方法使剛架柱長(zhǎng)度加大，又會(huì)使柱腳的反力增加（特別是M值），同時(shí)使剛架用鋼量和基礎(chǔ)工程量增加。所以，通過(guò)增加基礎(chǔ)埋置深度來(lái)降低偏心矩e的做法，在e的一定范圍內(nèi)是有效的，在設(shè)計(jì)中要綜合考慮，全面衡量。

3.1.2采用偏心基礎(chǔ)

此方法只適用于偏心矩e較小的情況下，此原理就是使基礎(chǔ)本身受力偏心，相當(dāng)于針對(duì)較大的M增加一個(gè)反向的彎矩M′=Ne′，使基礎(chǔ)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。此種基礎(chǔ)形式在工程設(shè)計(jì)中較少采用，一般若吊車(chē)噸位不太大，可以考慮采用柱下偏心基礎(chǔ)形式，但此時(shí)為保證基礎(chǔ)不致過(guò)分傾斜，基礎(chǔ)與基底土接觸不脫離，基礎(chǔ)底面偏心矩必須滿(mǎn)足：

e1=（Mmax+V1·h-N1·e′）/（N1+G1）≤b/6

e2=（Mmin+V2·h-N2·e′）（N2+G2）≤b/6

Pmax≤1.2fa

式中：Mmax為單方向計(jì)算水平荷載時(shí)，邊柱柱腳處的最大彎矩值；Mmin為單方向計(jì)算水平荷載時(shí)，對(duì)應(yīng)柱腳處的最小彎矩值；N、V、G分別為相應(yīng)的軸力，剪力和壓重。偏心基礎(chǔ)一般可以減少基礎(chǔ)尺寸，但對(duì)噸位較大的吊車(chē)廠房該方法應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

3.1.3采用樁基礎(chǔ)

對(duì)于大偏心距基礎(chǔ)，當(dāng)采用以上方法不能解決時(shí)，在地基土允許的情況下可以考慮樁基礎(chǔ).常用的樁種類(lèi)較多，除碎石樁、壓孔樁和灌注樁外，應(yīng)用較多的為預(yù)制鋼筋砼。但采用樁基不僅增加了設(shè)計(jì)施工的復(fù)雜性，而且造價(jià)往往較高。因此，此方法是門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最后不得已采用的基礎(chǔ)形式。

結(jié)語(yǔ)：

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)輕量化，使施工成本降低、施工效率提升、為施工質(zhì)量提供保證，使建筑結(jié)構(gòu)性能得到提高。為促進(jìn)該結(jié)構(gòu)應(yīng)用水平的提升，面對(duì)其設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行深入分析，應(yīng)用合理方式以提高其設(shè)計(jì)水平，為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

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