谈轻钢结构的基础设计特点

刘 涛 焦蕊蕊

(中原石油勘探局勘察设计研究院，河南濮阳 457001)

轻钢结构是一种广泛运用于工业与民用建筑的结构形式，其特点是施工速度快，自重轻，同时轻钢结构的上部荷载通常较小，一般来说，轻钢结构的基础费用要比混凝土结构低。由于轻钢结构的自重较小，而跨度较大，很多情况下控制因素是由风荷载等水平力来控制，因此抵抗倾覆和上拔等和普通混凝土结构物有所不同。轻钢结构的这些受力特点，以及其连接方式，导致其基础设计与其他结构存在一定的差异，本文就轻钢结构物的基础设计的特点结合现有国家规范进行简要的分析。

1 基础形式的选择

常见的轻钢结构的基础形式多为柱下独立基础，并用连系梁进行连接，以提高基础沉降的均匀性。地质条件较差的情况下可采用柱下条基，如上部结构较大或者地质情况很差，如淤泥等，可采用桩基础，采用柱下桩基础时，在不能设置双向基础拉梁时不宜采用单桩基础。

2 柱脚传力形式和特点

钢筋混凝土框架结构与基础的连接均为刚接，即有弯矩传递于基础，这样的情况下基础的尺寸比较大，不同于混凝土的是，轻钢结构的上部结构既可以设计成刚接，也可以设计成铰接，同样的一个荷载形式下，柱脚刚接与柱脚铰接相比，通常刚接上部结构用钢量要偏小，但基础较大。

刚接与铰接的区别在于柱底是否有转动约束，即刚接柱脚可以传递弯矩，铰接柱脚不能传递弯矩(见图1，图2)。这样对刚接柱脚的基础设计时，上部力就有轴力，剪力加弯矩，铰接柱脚仅有轴力和剪力。刚接或铰接柱脚关键取决于锚栓布置，铰接柱脚一般采用2个或4个锚栓，且居于柱子截面以内，以保证其充分转动，美国质量环境安全规范要求所有的钢结构的底板必须是4个锚栓，以考虑其在施工安装时的安全性，尽管设置在柱子截面内的2个锚栓或4个锚栓其实还是能传递很小一部分弯矩的，但在实际建模计算时，还是认为其是铰接。刚接柱脚一般采用4个或4个以上锚栓连接，锚栓位置居于柱外侧，并保证柱底板有必要的刚度抵抗转动，可以认为柱脚不能转动。

图1 铰接柱脚

图2 刚接柱脚

采用何种形式的柱底板连接形式应根据不同的情况而定，刚接柱脚通常用于对结构物侧移要求严格的，采用刚接柱脚，同样的荷载情况下，结构的相对水平位移要比铰接柱脚小得多，通常带吊车厂房柱采用刚接柱脚就是基于此点，吊车荷载对侧移比较敏感，侧移过大，可能会导致吊车卡轨，对于某些对水平位移要求较高的建筑物，也应优先选用刚接柱脚。当然也不是绝对的，如果水平位移在计算时能满足规范对水平位移的限制，铰接柱脚也可以使用。对工程上常见的以围护结构出现的门式刚架无吊车厂房，柱脚通常设计成铰接;一般说来，同样的一个结构，采用铰接柱脚的基础要比采用刚接柱脚的基础节省材料和造价。

3 基础典型的破坏形式

由于轻钢结构的自重较小，跨度较大，因此其基础的典型破坏形式和混凝土结构基础的典型破坏形式不太一样。

对于混凝土结构，通常柱网尺寸较小，故柱底水平力相对较小，基础一般不会产生滑移现象，又由于上部结构自重很大，足以抵抗风荷载作用下产生的上拔力，故基础也不会产生上拔的可能，对于这种结构，基础主要的破坏模式是冲切破坏，即来自上部结构的向下竖向力对基础发生的冲切作用基础的底板因厚度不足而产生的破坏，或者是基础底面积不足而导致的基础沉降过大或地基的剪切破坏。但总的来说，对基础设计的控制因素是向下的竖向力。轻钢结构的基础设计则不同，相对于上部结构的竖向力而言，存在一个较大的水平力(如风荷载产生的)，对于某些结构而言，如半开敞式结构，由于自重较小，而风荷载还会产生一个向上的力，这时如果结构自重不能抵消向上的风荷载，那么基础还需要考虑上拔力的工况，同时固接柱脚情况下，还存在较大的弯矩作用。因此轻钢结构物相对于混凝土结构物而言，由于自重轻，破坏形式更易出现倾覆、滑移和上拔的可能，其主要原因是上部结构自重小。如果设计时面临上述问题，通常采用的做法是加大埋深，即提高基础自身的覆土重以抵抗倾覆和上拔以及提高基础的被动土压力以抵抗水平力。另外对于轻钢结构基础，因为要有预埋螺栓用于上部结构和基础的连接，因此保证锚栓与基础的可靠连接，既要保证锚栓的长度使其与基础混凝土的可靠粘结，也要保证锚栓与基础的边缘有一定的距离而基础不会发生劈裂破坏。

4 基础设计的主要内容

基础设计一般包括根据地基承载力容许值(根据宽度和深度修正后的)和上部结构传来的荷载(标准组合)来确定基础底面积、通过上部结构传来的荷载(基本组合)、基础的高度(主要控制因素是抗冲切)和配筋计算(基底反力对基础底板产生的弯矩)，在满足内力的计算情况下，还要符合相关的构造措施。轻钢结构基础除上述内容以外，还须进行柱底板设计和锚栓设计，柱底板尺寸是根据柱与基础连接部位混凝土的局部承压来确定的，与基础混凝土参数有关，但其制作又与上部结构连在一起，按照常规柱底板设计归入上部结构;锚栓在上部结构和基础之间起桥梁作用，但基础施工时应将锚栓埋入，故属于基础部分。

锚栓是将上部结构荷载传给基础，在上部结构和下部结构之间起桥梁作用。锚栓主要有两个基本作用:

1)作为安装时临时支撑，保证钢柱定位和安装稳定性。2)将柱脚底板内力传给基础。

对于铰接柱脚，锚栓直径由构造确定，一般不小于M20;对于刚接柱脚，锚栓直径由计算确定，一般不小于M30。锚栓长度由钢结构设计手册确定，若锚栓埋入基础中长度不能满足要求，则考虑将其焊于附加钢筋。为方便柱安装和调整，一般柱底板上锚栓孔较锚栓直径大3 mm～4 mm，底板上须设置垫板，垫板尺寸一般为100×100，厚度根据计算确定，垫板上开孔较锚栓直径大1 mm～2 mm，待安装、校正完毕后将垫板焊于底板上。

另外需要注意的是，在对基础底板进行抗水平力设计时，我国钢结构设计规范是不允许锚栓抗剪的，剪力是靠底板在上部向下的竖向力作用下与基础顶面的摩擦力来传递的，若单靠摩擦力的作用不能抵抗水平力的情况下，要采用抗剪键将柱底的水平力传递到基础上。抗剪键的设计要考虑混凝土的局部抗压强度和抗剪键的截面抗弯能力。

5 与上部结构连接

基础与上部结构是二次施工完成的，其间存在连接问题。混凝土结构的基础是通过预留插筋的方式，留有施工缝连接上部结构的混凝土的浇筑，而对于轻钢结构基础，则通过预埋锚栓的方式进行连接，见图3，图4。

图3 混凝土柱基础预留插筋

图4 钢柱基础预留锚栓

6 其他的构造措施

除上述提到的几个方面之外，轻钢结构还有一些构造措施有别于其他结构的基础，比如基础顶面须设置二次浇灌层，以便调平柱底板。埋入式柱脚应在钢柱埋入部分设置栓钉;柱底板尺寸应在基础短柱箍筋范围内，以免局部对基础保护层压坏等等。

［1］钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册(下册)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004:141-143.