门式刚架轻型钢结构厂房基础的设计

文/白颖 廊坊新奥泛能网络科技服务有限公司 河北廊坊 065000

随着当前建筑行业的飞速发展，钢结构越来越多的应用于建筑之中，在钢结构之中，门式刚架轻钢结构表现尤为出色。目前,轻型钢结构厂房以其外形美观，施工进度快且综合造价低等优势，门式刚架轻钢结构在工业厂房中广泛使用。随着门式刚架结构设计和施工技术的日益成熟，其在工业厂房中有广阔应用前景。设计师要与时俱进，掌握最新设计理念，设计出经济、合理、安全、环保的门式刚架结构厂房。

1、门式刚架的结构形式

门式刚架的结构形式多种多样。按构件体系分，有实腹式与格构式；实腹式刚架的横截面一般为H型，少数为Z型；格构式的横截面为矩形或三角形；按横截面组成分，有等截面与变截面。按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成。

2、门式刚架结构的特点及基础的受力特点

与传统的单层厂房相比，这种结构的特点有：便于拆迁，可用于临时建筑，这是其突出的特征。屋面板采用压型钢板轻型屋面、由于屋面轻了，支承它的结构也很轻。至于外墙，用砖墙对隔热和降低造价有利，但对结构的侧移要求较严，外观也较差，因此还是用钢墙板者居多。刚架可采用变截面，截面与弯矩成正比。除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化，上下翼缘可用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同截面，充分做到材尽其用。刚架的腹板可按有效宽度设计，允许失稳并可利用屈曲后强度。这样，腹板的高厚比可做得比按现行《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定的大,即腹板厚度可比一般钢构件薄,可做得很轻便。由于构件轻，支撑用张紧的圆钢即可满足要求，因腹板允许失稳，可将支撑直接连在腹板上，省去很多节点板。

对门式刚架轻钢结构工业厂房来说,以下因素往往决定了基础的受力特点：厂房设有多台吊车,有时吊车吨位较大,横向水平位移较难控制,要求横向柱脚刚接；纵向水平荷载由柱向支撑承受,故纵向柱脚多为铰接。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车水平制动荷载。结构重量轻,风荷和吊车水平制动荷载相对较大,造成基础偏心较大,一般最大偏心距可达1.5～2.5m左右。

3、门式刚架轻型钢结构厂房基础设计

3.1 基础形式的选择研究

由于以上受力特点及设计要求,对于有吊车的工业厂房,工程设计中通常采用刚性柱脚。该柱脚形式可以提高厂房整体刚度,从而减少侧移。但这样一来,基础一般作用有较大弯矩,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(如前所述),水平荷载与竖向荷载比较较大,在风荷载及吊车荷载的共同作用下,厂房边列柱底荷载偏心距较大。根据工程设计经验,偏心距一般在1.0m左右,有时甚至达到1.5～2.5m。根据以上分析,按常规的单独基础设计,基础的宽度将达到6～12m,这在实际工程中是难以接受的,通过研究分析,可以采用以下方法加以解决。

3.1.1 增加基础压重

对于刚接柱脚,基础则要受到偏心荷载的作用,偏心距e为：

e=(M+V·h)/N+G,在柱脚内力(M,N,V)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,并使其重量通过地基梁传到基础上。设墙高为H(一般为基础顶面至窗台的高度),厚为D,柱距为L,墙体砖容重为r,则每个基础因此而增加的重量G′为：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值的数量级在100～1000kN范围变化。可见,若能充分利用围护墙重,不失为减少基础偏心距的好办法，但此法往往受墙体材料、墙高及建筑主面要求限制。

增加基础埋置深度：增加基础埋深对基础设计来说,变化有两个,其一使考虑深度修正后的地基承载力特征值fa增大,但这对受偏心矩控制的基础来说无关紧要。其二是基础底面以上压重增大,这对降低偏心距e来说是有利的。实际工程设计中要通过增加基础埋深来降低偏心矩可以有两种做法,一是保持柱底标高不变,即通过增加基础高度h来实现。显然用这种方法来增加G并非经济之举,并且增加h同时会增大由柱脚水平剪力V引起的附加弯矩V·h。另一种做法是降低柱底标高而使h不变,该方法使刚架柱长度加大,又会使柱脚的反力增加(特别是M值),同时使刚架用钢量和基础工程量增加。所以,通过增加基础埋置深度来降低偏心矩e的做法,在e的一定范围内是有效的,在设计中要综合考虑,全面衡量。

3.1.2 采用偏心基础

此方法只适用于偏心矩e较小的情况下,此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设计中较少采用,一般若吊车吨位不太大,可以考虑采用柱下偏心基础形式,但此时为保证基础不致过分倾斜,基础与基底土接触不脱离,基础底面偏心矩必须满足：

式中：Mmax为单方向计算水平荷载时,边柱柱脚处的最大弯矩值；Mmin为单方向计算水平荷载时,对应柱脚处的最小弯矩值；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,但对吨位较大的吊车厂房该方法应谨慎使用。

3.1.3 采用桩基础

对于大偏心距基础,当采用以上方法不能解决时,在地基土允许的情况下可以考虑桩基础.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砼。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。因此,此方法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。

结语：

在钢结构建筑中应用门式刚架结构，能够实现建筑结构轻量化，使施工成本降低、施工效率提升、为施工质量提供保证，使建筑结构性能得到提高。为促进该结构应用水平的提升，面对其设计和应用中存在的问题，需要对其进行深入分析，应用合理方式以提高其设计水平，为钢结构发展奠定良好基础。