某重型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

林振楊

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601）

1 工程概況

某科技公司裝備產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目中，新建的大型鑄造車(chē)間廠房占地面積8.06 萬(wàn)m2，建筑面積80 596.13 m2，建筑物總長(zhǎng)度437.4 m，總寬度180.3 m，廠房最大高度26.9 m（脊高）。車(chē)間為南北向六聯(lián)跨，跨度依次為25 m、34 m、31 m、30.3 m、30 m、30 m，柱距主要為12 m，局部有兩跨為16 m，吊車(chē)最大噸位為500 t，其中，第二、第三跨大吊車(chē)下設(shè)置80～100 t 的半門(mén)吊，車(chē)間屋頂設(shè)有荷載較大的除塵罩及除塵管道設(shè)施。屋面及墻面采用彩色保溫壓型鋼板圍護(hù)結(jié)構(gòu)。鑄造車(chē)間建筑效果圖如圖1所示。

圖1 鑄造車(chē)間廠房建筑效果圖

2 設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。場(chǎng)地土基本凍深0.6 m。考慮到廠房的重要程度，按百年一遇確定基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為A 類。基本雪壓為0.35 kN/m2。屋面設(shè)計(jì)活荷載為0.5 kN/m2。吊車(chē)工作級(jí)別為A6-A7。

項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告顯示，擬建場(chǎng)地地表被第四紀(jì)河流沖積及海陸交互相沉積物所覆蓋，以黏性土、粉土、粉細(xì)砂為主，局部分布有軟土地層。地貌特征表現(xiàn)為河流沖積平原，且微地貌發(fā)育。該場(chǎng)區(qū)地貌單元屬于第四紀(jì)黃河三角洲沖積平原。土層分層比較規(guī)律，沒(méi)有較大的起伏和缺失現(xiàn)象。土層的分層及主要性質(zhì)如表1 所示。

表1 土層分布及主要性質(zhì)

3 廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)荷載的確定

車(chē)間上部結(jié)構(gòu)采用PKPM 2021 版中的STS 模塊按照平面排架進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)計(jì)算樁基數(shù)量時(shí)，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，驗(yàn)算樁基承臺(tái)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合[1]。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的程序計(jì)算結(jié)果文件，基礎(chǔ)及柱腳設(shè)計(jì)采用的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)有118 組，荷載基本組合有236 組。對(duì)每種工況進(jìn)行分別驗(yàn)算顯然費(fèi)時(shí)費(fèi)力且沒(méi)有必要，實(shí)際計(jì)算中選取Mmax、Mmin、Nmax、Nmin、Vmax、Vmin對(duì)應(yīng)的工況組合進(jìn)行分析計(jì)算。程序中計(jì)算出的B 軸處鋼柱的柱底內(nèi)力的基本組合詳見(jiàn)表2。

表2 柱底部分控制荷載計(jì)算值

在計(jì)算樁基數(shù)量及承臺(tái)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮承臺(tái)及覆土的質(zhì)量，并應(yīng)根據(jù)車(chē)間的生產(chǎn)工藝考慮地面堆載的影響，有設(shè)備基礎(chǔ)布置的地方還應(yīng)考慮設(shè)備基礎(chǔ)的影響，本車(chē)間根據(jù)工藝生產(chǎn)需要，地面堆載確定為5 t/m2。

3.2 樁基承臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.2.1 基礎(chǔ)形式的選擇

本項(xiàng)目車(chē)間運(yùn)行吊車(chē)噸位很大，最大吊車(chē)500 t，位于BC軸跨內(nèi)，其余跨除AB 軸跨為20 t 外，各跨吊車(chē)也在100～350 t。廠房的柱距和跨度也都比較大，檐口高度為26 m，柱底荷載作用較大。根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地沖填土較深，填土成型復(fù)雜，未經(jīng)處理的填土不宜作為天然地基持力層。從建筑物的荷載狀況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地基土特點(diǎn)、施工條件、經(jīng)理合理性及當(dāng)?shù)氐鼗幚斫?jīng)驗(yàn)等綜合分析，本工程采用混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)。

根據(jù)柱底承載力的不同需求，樁采用了直徑分別為400 mm（用于抗風(fēng)柱及單層輔房）、500 mm（用于較小噸位吊車(chē)鋼柱）、600 mm（用于大噸位吊車(chē)鋼柱）的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC）。根據(jù)基礎(chǔ)所處腐蝕性環(huán)境的最低要求，承臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定為C40，保護(hù)層厚度為50 mm。

3.2.2 樁長(zhǎng)的確定

樁長(zhǎng)的決定因素主要是承臺(tái)的埋深及樁持力層的埋深，承臺(tái)的埋深需要根據(jù)鋼柱的插入深度、車(chē)間內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)的布置、地下水位的標(biāo)高、施工開(kāi)挖放坡等因素綜合考慮。因鋼柱插入深度的最小值及底板抗沖切需要，承臺(tái)埋深一般不小于2.5 m。重型廠房基礎(chǔ)頂標(biāo)高一般可取為-0.5～-0.8 m，在條件許可的情況下承臺(tái)埋深可定為-3.0～-3.5 m，受車(chē)間造型坑布置的影響，所涉的軸線柱底承臺(tái)下沉至-4.7 m，局部受砂處理設(shè)備基礎(chǔ)布置的影響，承臺(tái)基礎(chǔ)底標(biāo)高下沉至-10 m。承臺(tái)的底板厚度一般由抗沖切承載力確定[2]，經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目承臺(tái)厚度為700～1 500 mm。

根據(jù)地勘報(bào)告建議，選擇第10 層粉土層為樁端持力層，樁長(zhǎng)23 m 左右（砂處理設(shè)備下沉承臺(tái)處樁長(zhǎng)為17 m），長(zhǎng)徑比38.3～57.5，樁尖進(jìn)入持力層不小于兩倍樁徑。

3.2.3 樁位的布置

承臺(tái)下樁位的布置是本工程的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，一方面基樁工程量占比較大，樁位布置的不合理將會(huì)給工廠帶來(lái)較大的浪費(fèi)，另一方面鋼結(jié)構(gòu)廠房自重輕層數(shù)少，在較大風(fēng)荷載及大噸位吊車(chē)水平力作用下，柱底彎矩較大，而對(duì)應(yīng)軸力卻較小，樁位布置不合理將導(dǎo)致樁身承受較大拉力。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，樁身受拉時(shí)，發(fā)生的工程事故概率較大，預(yù)制管樁不宜作為抗拔樁設(shè)計(jì)。樁基承受拔力時(shí)，應(yīng)進(jìn)行樁基抗拔承載力驗(yàn)算，且基樁的抗拔承載力應(yīng)通過(guò)抗拔靜載試驗(yàn)確定[3]。如果考慮基樁抗拔，其設(shè)計(jì)和建造成本將相對(duì)增加。

為了控制樁基拉力，一是通過(guò)加大承臺(tái)面積和埋深來(lái)增加基礎(chǔ)及覆土自重，二是改變樁基的布置形式。前一種方法往往在控制樁拉力的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致樁受壓承載力的不足，需要增加樁數(shù)，基樁和承臺(tái)的造價(jià)都會(huì)增加，所以其綜合效果有限。通過(guò)合理布置樁位常常是性價(jià)比較好的方法?；鶚兜牟贾贸Ｓ?～9 樁等布置形式，本工程A 軸吊車(chē)噸位較小，實(shí)腹式鋼柱下采用3 樁承臺(tái)，B、C 軸吊車(chē)噸位較大，格構(gòu)式鋼柱下采用9樁承臺(tái)。D、E、F 軸吊車(chē)噸位居中，格構(gòu)式鋼柱下采用5 樁承臺(tái)，G 軸邊列柱采用4 樁承臺(tái)。鑄造車(chē)間各軸線典型樁承臺(tái)布置如圖2 所示。

圖2 鑄造車(chē)間典型樁基承臺(tái)圖

3.3 柱腳的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，柱腳類型可分為外露式、外包式、埋入式和插入式。工業(yè)廠房類建筑常采用外露式和插入式。重型鋼結(jié)構(gòu)廠房吊車(chē)荷載較大，柱腳彎矩太大，常規(guī)的平接式柱腳不能滿足受力需要，往往以插入式柱腳為主。插入深度的計(jì)算既要滿足截面本身的高寬比例要求，也要滿足抗震設(shè)防地區(qū)鋼柱全塑性抗彎承載力的要求。本項(xiàng)目除A 軸線為實(shí)腹式柱，其他軸線均為格構(gòu)式柱，分別選取A、B 軸線的鋼柱柱腳進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

3.3.1 實(shí)腹式柱腳設(shè)計(jì)驗(yàn)算

1）基本條件

等效實(shí)腹式柱截面：H600 mm×450 mm×12 mm×12 mm，翼緣寬度bf=450 mm，柱腳底板尺寸：490 mm×740 mm×20 mm，鋼材材質(zhì)Q355B，鋼筋的抗拉強(qiáng)度f(wàn)y=335 kPa，基礎(chǔ)混凝土C40，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 kPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 kPa，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.71 kPa，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.39 kPa，柱腳最不利內(nèi)力：Nmax=1346260N，Mmax=942378000N·mm，Vmax=172620N。

2）柱腳插入深度及承臺(tái)混凝土承壓應(yīng)力驗(yàn)算

H 形實(shí)腹式鋼柱最大插入深度dmax為[4]：

承臺(tái)混凝土承壓應(yīng)力按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]中式12.7.9-1 計(jì)算：

混凝土承壓滿足規(guī)范要求。

3.3.2 格構(gòu)式柱腳設(shè)計(jì)計(jì)算

1）基本條件

格構(gòu)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，拉肢底板周長(zhǎng)s=3 160 mm，受壓肢周長(zhǎng)s1=4 230 mm，鋼材材質(zhì)Q355B，fy=335 kPa，基礎(chǔ)混凝土C40，fc=19.1 kPa，fck=26.8 kPa，ft=1.71 kPa，ftk=2.39 kPa，柱腳最不利內(nèi)力：Nmax=9555550N，Mmax=12753248000 N·mm，Nmin=213 420 N，Mmin=-9 075 810 000 N·mm。

2）柱腳插入深度

格構(gòu)式鋼柱插入深度d 為：

3）柱腳抗震極限承載力插入深度及抗拔極限承載力驗(yàn)算

格構(gòu)柱受拉肢最大插入深度：

格構(gòu)柱受拉肢抗拔極限承載力：

N=sftkd=19 892 900 N＞1.2Nmax=19 172 720 N，受拉肢抗拔極限承載力滿足要求。

4 結(jié)論

1）地上結(jié)構(gòu)程序計(jì)算柱底工況較多，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可以選取Mmax、Mmin、Nmax、Nmin、Vmax、Vmin6 種工況組合進(jìn) 行 分析計(jì)算。

2）重型工業(yè)廠房地面有較大的堆載和設(shè)備荷載，車(chē)間內(nèi)也有重型平車(chē)運(yùn)行，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地面堆載和設(shè)備荷載影響，車(chē)間內(nèi)部承臺(tái)間盡量不設(shè)置地梁。

3）重型廠房柱底彎矩大、軸力相對(duì)小，樁位布置常由基樁不出現(xiàn)拉力控制。

4）重型廠房柱腳一般采用插入式，插入深度應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。