某重型钢结构工业厂房基础设计

林振杨

（中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 工程概况

某科技公司装备产业园项目中，新建的大型铸造车间厂房占地面积8.06 万m2，建筑面积80 596.13 m2，建筑物总长度437.4 m，总宽度180.3 m，厂房最大高度26.9 m（脊高）。车间为南北向六联跨，跨度依次为25 m、34 m、31 m、30.3 m、30 m、30 m，柱距主要为12 m，局部有两跨为16 m，吊车最大吨位为500 t，其中，第二、第三跨大吊车下设置80～100 t 的半门吊，车间屋顶设有荷载较大的除尘罩及除尘管道设施。屋面及墙面采用彩色保温压型钢板围护结构。铸造车间建筑效果图如图1所示。

图1 铸造车间厂房建筑效果图

2 设计基本数据

本项目抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10g，地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅲ类。场地土基本冻深0.6 m。考虑到厂房的重要程度，按百年一遇确定基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度类别为A 类。基本雪压为0.35 kN/m2。屋面设计活荷载为0.5 kN/m2。吊车工作级别为A6-A7。

项目岩土工程勘察报告显示，拟建场地地表被第四纪河流冲积及海陆交互相沉积物所覆盖，以黏性土、粉土、粉细砂为主，局部分布有软土地层。地貌特征表现为河流冲积平原，且微地貌发育。该场区地貌单元属于第四纪黄河三角洲冲积平原。土层分层比较规律，没有较大的起伏和缺失现象。土层的分层及主要性质如表1 所示。

表1 土层分布及主要性质

3 厂房基础设计

3.1 设计荷载的确定

车间上部结构采用PKPM 2021 版中的STS 模块按照平面排架进行计算，在设计计算桩基数量时，应采用荷载效应的标准组合，验算桩基承台强度时，应采用荷载效应的基本组合[1]。根据上部结构的程序计算结果文件，基础及柱脚设计采用的荷载标准组合效应有118 组，荷载基本组合有236 组。对每种工况进行分别验算显然费时费力且没有必要，实际计算中选取Mmax、Mmin、Nmax、Nmin、Vmax、Vmin对应的工况组合进行分析计算。程序中计算出的B 轴处钢柱的柱底内力的基本组合详见表2。

表2 柱底部分控制荷载计算值

在计算桩基数量及承台强度时，应考虑承台及覆土的质量，并应根据车间的生产工艺考虑地面堆载的影响，有设备基础布置的地方还应考虑设备基础的影响，本车间根据工艺生产需要，地面堆载确定为5 t/m2。

3.2 桩基承台的设计

3.2.1 基础形式的选择

本项目车间运行吊车吨位很大，最大吊车500 t，位于BC轴跨内，其余跨除AB 轴跨为20 t 外，各跨吊车也在100～350 t。厂房的柱距和跨度也都比较大，檐口高度为26 m，柱底荷载作用较大。根据地勘报告，场地冲填土较深，填土成型复杂，未经处理的填土不宜作为天然地基持力层。从建筑物的荷载状况和结构特点、地基土特点、施工条件、经理合理性及当地地基处理经验等综合分析，本工程采用混凝土预制桩基础。

根据柱底承载力的不同需求，桩采用了直径分别为400 mm（用于抗风柱及单层辅房）、500 mm（用于较小吨位吊车钢柱）、600 mm（用于大吨位吊车钢柱）的预应力高强度混凝土管桩（PHC）。根据基础所处腐蚀性环境的最低要求，承台混凝土强度等级确定为C40，保护层厚度为50 mm。

3.2.2 桩长的确定

桩长的决定因素主要是承台的埋深及桩持力层的埋深，承台的埋深需要根据钢柱的插入深度、车间内设备基础的布置、地下水位的标高、施工开挖放坡等因素综合考虑。因钢柱插入深度的最小值及底板抗冲切需要，承台埋深一般不小于2.5 m。重型厂房基础顶标高一般可取为-0.5～-0.8 m，在条件许可的情况下承台埋深可定为-3.0～-3.5 m，受车间造型坑布置的影响，所涉的轴线柱底承台下沉至-4.7 m，局部受砂处理设备基础布置的影响，承台基础底标高下沉至-10 m。承台的底板厚度一般由抗冲切承载力确定[2]，经计算，本项目承台厚度为700～1 500 mm。

根据地勘报告建议，选择第10 层粉土层为桩端持力层，桩长23 m 左右（砂处理设备下沉承台处桩长为17 m），长径比38.3～57.5，桩尖进入持力层不小于两倍桩径。

3.2.3 桩位的布置

承台下桩位的布置是本工程的一个设计难点，一方面基桩工程量占比较大，桩位布置的不合理将会给工厂带来较大的浪费，另一方面钢结构厂房自重轻层数少，在较大风荷载及大吨位吊车水平力作用下，柱底弯矩较大，而对应轴力却较小，桩位布置不合理将导致桩身承受较大拉力。根据以往工程经验，桩身受拉时，发生的工程事故概率较大，预制管桩不宜作为抗拔桩设计。桩基承受拔力时，应进行桩基抗拔承载力验算，且基桩的抗拔承载力应通过抗拔静载试验确定[3]。如果考虑基桩抗拔，其设计和建造成本将相对增加。

为了控制桩基拉力，一是通过加大承台面积和埋深来增加基础及覆土自重，二是改变桩基的布置形式。前一种方法往往在控制桩拉力的同时会导致桩受压承载力的不足，需要增加桩数，基桩和承台的造价都会增加，所以其综合效果有限。通过合理布置桩位常常是性价比较好的方法。基桩的布置常有3～9 桩等布置形式，本工程A 轴吊车吨位较小，实腹式钢柱下采用3 桩承台，B、C 轴吊车吨位较大，格构式钢柱下采用9桩承台。D、E、F 轴吊车吨位居中，格构式钢柱下采用5 桩承台，G 轴边列柱采用4 桩承台。铸造车间各轴线典型桩承台布置如图2 所示。

图2 铸造车间典型桩基承台图

3.3 柱脚的设计

根据现行国家标准和行业规范，柱脚类型可分为外露式、外包式、埋入式和插入式。工业厂房类建筑常采用外露式和插入式。重型钢结构厂房吊车荷载较大，柱脚弯矩太大，常规的平接式柱脚不能满足受力需要，往往以插入式柱脚为主。插入深度的计算既要满足截面本身的高宽比例要求，也要满足抗震设防地区钢柱全塑性抗弯承载力的要求。本项目除A 轴线为实腹式柱，其他轴线均为格构式柱，分别选取A、B 轴线的钢柱柱脚进行设计验算。

3.3.1 实腹式柱脚设计验算

1）基本条件

等效实腹式柱截面：H600 mm×450 mm×12 mm×12 mm，翼缘宽度bf=450 mm，柱脚底板尺寸：490 mm×740 mm×20 mm，钢材材质Q355B，钢筋的抗拉强度fy=335 kPa，基础混凝土C40，混凝土轴心抗压强度设计值fc=19.1 kPa，混凝土轴心抗压强度标准值fck=26.8 kPa，混凝土轴心抗拉强度设计值ft=1.71 kPa，混凝土轴心抗拉强度标准值ftk=2.39 kPa，柱脚最不利内力：Nmax=1346260N，Mmax=942378000N·mm，Vmax=172620N。

2）柱脚插入深度及承台混凝土承压应力验算

H 形实腹式钢柱最大插入深度dmax为[4]：

承台混凝土承压应力按GB 50017—2017《钢结构设计标准》[5]中式12.7.9-1 计算：

混凝土承压满足规范要求。

3.3.2 格构式柱脚设计计算

1）基本条件

格构柱左肢[1 000 mm×400 mm×30 mm×30 mm，柱右肢H1 000 mm×600 mm×25 mm×30 mm，左肢底板1 040 mm×440 mm×30 mm，右肢底板1 040 mm×640 mm×30 mm，左右肢形心距2 910 mm，拉肢底板周长s=3 160 mm，受压肢周长s1=4 230 mm，钢材材质Q355B，fy=335 kPa，基础混凝土C40，fc=19.1 kPa，fck=26.8 kPa，ft=1.71 kPa，ftk=2.39 kPa，柱脚最不利内力：Nmax=9555550N，Mmax=12753248000 N·mm，Nmin=213 420 N，Mmin=-9 075 810 000 N·mm。

2）柱脚插入深度

格构式钢柱插入深度d 为：

3）柱脚抗震极限承载力插入深度及抗拔极限承载力验算

格构柱受拉肢最大插入深度：

格构柱受拉肢抗拔极限承载力：

N=sftkd=19 892 900 N＞1.2Nmax=19 172 720 N，受拉肢抗拔极限承载力满足要求。

4 结论

1）地上结构程序计算柱底工况较多，在基础设计计算时，可以选取Mmax、Mmin、Nmax、Nmin、Vmax、Vmin6 种工况组合进 行 分析计算。

2）重型工业厂房地面有较大的堆载和设备荷载，车间内也有重型平车运行，基础设计应考虑地面堆载和设备荷载影响，车间内部承台间尽量不设置地梁。

3）重型厂房柱底弯矩大、轴力相对小，桩位布置常由基桩不出现拉力控制。

4）重型厂房柱脚一般采用插入式，插入深度应根据计算确定。