第八章基础设计

PAGEPAGE298第八章基础础设计房屋建筑设计总总总体上分分为上上部结构构设计计和下部部结构构设计两两大部部分，轻轻型钢钢结构建建筑也也不例外外，前前面几章章已介介绍了其其上部部结构，本本章章对其下下部结结构——基础作一一些些讨论。众所周知，在房房房屋建筑筑中，基基础造价价约占占整个建建筑物物的30%%左右，对对于轻钢钢结构构而言，最最大大优点就就是重重量轻，从从而而直接影影响基基础设计计，与与其它结结构型型式的基基础相相比，轻轻钢结结构基础础尺寸寸小，可可以减减少整个个建筑筑物造价价，另另外对于于地质质条件较较差地地区，可可优先先考虑采采用轻轻钢结构构，这这样容易易满足足地基承承载力力方面的的要求求。那么么轻钢钢结构基基础与与砼结构构基础础有什么么不同同？轻钢钢结构构基础是是如何何设计的的？在在轻钢结结构基基础设计计时应应注意哪哪些方方面？本本章针针对这些些问题题进行探探讨，而而不涉及及基础础本身设设计的的有关内内容。第一节基础设设设计的特特点由于结构型式、荷荷载取值、支支座条件等方方面的不同，传传至基础顶面面内力是不同同的，轻钢结结构与传统的的砼结构相比比，最大差别别就是在柱脚脚处存在较小小的竖向力和和较大的水平平力，对于固固接柱脚，还还存在较大的的弯矩，在风风荷载起控制制作用的情况况下，还存在在较大的上拔拔力。柱底水水平力会使基基础产生倾覆覆和滑移，基基础受上拔力力作用，在覆覆土较浅的情情况下，会使使基础向上拔拔起，有关这这方面的问题题，后面再作作详述。由于于轻钢结构的的这些受力特特点，导致其其基础设计与与其它结构存存在很大的不不同，主要表表现在以下几几个方面：⒈基础形式基础型式选择应应应根据建建筑物物所在地地工程程地质情情况和和建筑物物上部部结构型型式综综合考虑虑，对对于砼结结构基基础，常常见的的基础型型式有有独立基基础、条条形基础础、片片筏基础础、箱箱形基础础、桩桩基等等等，而而对于轻轻钢结结构而言言，由由于柱网网尺寸寸较大，上上部部结构传传至柱柱脚的内内力较较小，一一般以以独立基基础为为主，若若地质质条件较较差，可可考虑采采用条条形基础础，遇遇到暗浜浜等不不良地质质情况况，可考考虑采采用桩基基础，一一般情况况下不不采用片片筏基基础和箱箱形基基础。⒉柱脚受力(a)铰接柱柱柱脚(b)刚接柱脚脚图8-1不不同同柱脚型式式式的受力力情况况砼结构柱脚均为为为刚接，即即同同时存在在轴向向力N、水平剪剪力V和弯矩M，故基础础尺尺寸较大大，轻轻钢结构构常见见的柱脚脚型式式有刚接接和铰铰接两种种（图图8-1），其其受受力是不不同的的，对于于铰接接柱脚，只存在轴向力NNN和水平力V，对于刚刚接接柱脚，除除存存在轴向向力N和水平力V之外，还还存存在一定定的弯弯矩M，从而使使刚刚接柱脚脚的基基础大于于铰接接柱脚。⒊基础破坏形形形式要正确确确进行基基础设设计，首首先要要知道基基础破破坏形式式，对对其工作作原理理有所了了解。对于砼结构，通通通常柱网网尺寸寸较小，故故柱柱底水平平力相相对较小小，基基础一般般不会会产生滑滑移现现象，又又由于于上部结结构自自重很大大，足足以抵抗抗风荷荷载作用用下产产生的上上拔力力，故基基础也也不会产产生上上拔的可可能，对对于这种种结构构，基础础主要要发生冲冲切、剪剪切破坏坏；而而轻钢结结构则则不同，基基础础除发生生冲切切、剪切切破坏坏之外，由由于于存在较较大的的水平力力，对对于固接接柱脚脚，还存存在较较大的弯弯矩作作用，从从而导导致基础础产生生倾覆和和滑移移破坏，另另外外，在风风荷载载较大的的情况况下，特特别对对于一些些敞开开或半敞敞开的的结构，由由于于轻钢结结构自自重很轻轻，有有可能不不足于于抵抗风风荷载载产生的的上拔拔力，导导致基基础上拔拔破坏坏。为防防止这这些破坏坏的发发生，最最经济济有效的的方法法是增加加基础础埋深，即即增增加基础础上覆覆土的厚厚度，但但增加了了土方方开挖和和回填填工程量量。另另外对于于轻钢钢结构基基础，还还须预埋埋锚栓栓（也称称地脚脚螺栓），用用于上部结构构和基础的连连接，若锚栓栓离砼基础边边缘太近，会会产生基础劈劈裂破坏，所所以我国钢结结构设计规范范规定了锚栓栓离砼基础边边缘的距离不不得小于1550mm；若若锚栓长度过过短，会使锚锚栓从基础中中拔出，导致致破坏，所以以规范也规定定了锚栓埋入入长度。⒋基础设计内内内容基础设计一般包包包括基础础底面面积确定定、基基础高度度确定定和配筋筋计算算，还应应符合合有关构构造措措施。基基础底底面积可可根据据地基承承载力力确定，同同时时还应考考虑软软弱下卧卧层存存在；基基础高高度由冲冲切验验算确定定；在在基础底底面积积和高度度确定定的情况况下计计算基础础配筋筋，这里里须注注意伸缩缩缝双双柱基础础处理理，双柱柱为基基础提供供了两两个支点点，在在地基反反力作作用下，有有可可能出现现负弯弯矩，即即基础础上部受受拉的的情况，此此时时除基础础底部部配置钢钢筋外外，基础础上部部也应配配筋，避避免因上上部受受拉而出出现开开裂现象象。轻轻钢结构构基础础除上述述内容容以外，还还须须进行柱柱底板板设计和和锚栓栓设计，至至于于这两部部分设设计归于于上部部结构还还是下下部结构构，也也存在一一些争争议，柱柱底板板尺寸是是根据据柱与基基础连连接部位位砼的的局部承承压来来确定的的，与与基础砼砼参数数有关，但但其其制作又又与上上部结构构连在在一起，按按照照常规柱柱底板板设计归归入上上部结构构；锚锚栓在上上部结结构和基基础之之间起桥桥梁作作用，但但基础础施工时时应将将锚栓埋埋入，故故属于基基础部部分。本本章避避开这个个问题题，就锚锚栓和和底板设设计分分别进行行讨论论。⒌与上部结构构构连接基础与与与上部结结构是是二次施施工完完成的，其其间间存在连连接问问题。对对于砼砼结构的的基础础，通过过预留留插筋的的方式式连接上上部结结构（图8-2a）,而对于轻轻钢钢结构基基础，则则通过预预埋锚锚栓的方方式进进行连接接（图图8-2b）。(a)砼柱基基基础预留插插筋筋(b)钢柱基础础预预留锚栓栓图8-2基基础础与上部结结结构的连连接⒍有关构造措措措施除上述述述提到的的几个个方面之之外，轻轻钢结构构还有有一些构构造措措施有别别于其其它结构构的基基础，比比如基基础顶面面须设设置二次次浇灌灌层；埋埋入式式柱脚应应在钢钢柱埋入入部分分设置栓栓钉；；埋入式式柱脚脚钢柱翼翼缘保保护层厚厚度，对对于中柱柱不小小于1800mmm，对于于边边柱和角角柱的的外侧不不宜小小于2500mmm，具体体详详见有关关构造造手册。第二节基础设设设计的特特殊处处理措施施由于轻钢结构的的的特殊性性，使使其基础础设计计也与一一般结结构不同同，下下面从几几个方方面加以以讨论论。一、刚接和铰接接接柱脚前面已提到过，能能抵抗弯矩作作用的柱脚称称为刚接柱脚脚，相反不能能抵抗弯矩作作用的柱脚称称为铰接柱脚脚，刚接与铰铰接的区别在在于是否能传传递弯矩，在在实际工程中中，绝对刚接接或绝对铰接接都是不可能能的，确切地地说应该是一一种半刚接半半铰接状态，为为计算方便，只只能根据实际际构造把(a)铰接接接(一)(b))铰接(二)（c）刚接(一)（d）刚接(二)图8-3几种常常见的柱柱脚型型式柱脚看成接近刚刚刚接或铰铰接。刚刚接或铰铰接柱柱脚关键键取决决于锚栓栓布置置，铰接接柱脚脚一般采采用两两个锚栓栓(图8-3a)，以保证证其其充分转转动，但但有时考考虑锚锚栓质量量问题题，若一一个锚锚栓质量量不保保证，会会对整整个结构构受力力产生较较大影影响，所所以为为安全起起见，也也可布置置四个个锚栓(图8-3b)，但锚栓栓尽尽量接近近，以以保证柱柱脚转转动。刚刚接柱柱脚一般般采用用四个或或四个个以上锚锚栓连连接(图8-3c)，图中采采用用六个锚锚栓，可可以认为为柱脚脚不能转转动，前前面讲的的几种种柱脚均均为锚锚板式柱柱脚，构构造简单单，是是工程上上常用用的柱脚脚型式式，另外外还有有一种柱柱脚型型式，即即靴梁梁式柱脚脚(图8-3d)，这种柱柱脚脚可看成成固接接柱脚，由由于于柱脚有有一定定高度，使使其其刚度较较好，能能起到抵抵抗弯弯矩的作作用，但但这种柱柱脚制制作麻烦烦，耗耗工耗材材，逐逐渐被其其它柱柱脚型式式所代代替。下面再介绍工程程程上比较较常用用的固接接柱脚脚，即包包裹式式柱脚(图8-4)，这种柱柱脚脚既节省省钢材材又构造造简单单，施工工方便便，而且且安全全可靠，在在受受力上保保证柱柱脚基本本不发发生转动动，与与计算模模型很很吻合，是是一一种典型型的固固接柱脚脚。另另外还有有一种种插入式式刚接接柱脚，将将钢钢柱直接接插入入混凝土土内用用二次浇浇灌层层固定，这这种种柱脚近近年来来被北京京钢铁铁设计研研究总总院等单单位研研究成功功，已已在多项项单层层工业厂厂房中中应用，效效果果良好，并并不不影响安安装调调整。图8-4包裹裹式柱脚上面讨论了刚接接接柱脚和和铰接接柱脚的的有关关构造，计计算算模型应应与构构造相一一致，否否则会造造成工工程事故故，这这一点作作为工工程设计计人员员需特别别注意意。那么么在何何种情况况下采采用刚接接柱脚脚或铰接接柱脚脚？其实实这两两种柱脚脚很明明显的区区别就就是对侧侧移控控制，如如果结结构对侧侧移控控制较严严，则则采用刚刚接柱柱脚，例例如有有吊车荷荷载的的情况，吊吊车车荷载是是动力力荷载，对对侧侧移比较较敏感感，而且且侧移移过大会会造成成吊车卡卡轨现现象，此此时应应把柱脚脚设计计成刚接接柱脚脚，但在在某些些特殊情情况下下也可设设计成成铰接；；又如如有楼层层的结结构，侧侧移过过大会使使人感感觉不安安全，左左右晃动动，而而且还会会使楼楼面装修修材料料开裂等等等，这这样结构构柱脚脚应按固固接设设计。对对工程程上常见见的门门式刚架架，柱柱脚通常常设计计成铰接接；对对地质情情况较较差地区区，柱柱脚应考考虑铰铰接，这这样传传至基础础的内内力仅为为轴力力和剪力力，不不存在弯弯矩，有有利于基基础设设计，可可以减减少基础础造价价。二、锚栓锚栓是将上部结结结构荷载载传给给基础，在在上上部结构构和下下部结构构之间间起桥梁梁作用用。锚栓栓主要要有两个个基本本作用：：⒈作为安装时时时临时支撑撑，保保证钢柱柱定位位和安装装稳定定性。⒉将柱脚底板板板内力传给给基基础。锚栓采用Q23335或Q345钢制作，分分分为弯钩钩式和和锚板式式两种种。直径径小于于M39的锚锚栓栓，一般般为弯弯钩式(图8-5a)，直径大大于于M39的锚锚栓栓，一般般为锚锚板式(图8-5b)。(a)弯钩式式式(b))锚板式图8-5基础锚锚栓对于铰接柱脚，锚锚栓直径由构构造确定，一一般不小于MM20；对于于刚接柱脚，锚锚栓直径由计计算确定,一般不小于于M30。锚栓栓长度由钢结结构设计手册册确定，若锚锚栓埋入基础础中长度不能能满足要求，则则考虑将其焊焊于受力钢筋筋上。为方便便柱安装和调调整，柱底板板上锚栓孔为为锚栓直径的的1.5倍(图8-6a)，或直接在底底板上开缺口口(图8-6b)。底板上须须设置垫板，垫垫板尺寸一般般为，厚度根根据计算确定定，垫板上开开孔较锚栓直直径大1～2mm，待安安装、校正完完毕后将垫板板焊于底板上上。(a)开圆圆圆孔(b)开缺口图8-6柱脚底底板开孔孔图8-7为铰接接柱脚锚锚栓布布置图，图图8-8为刚接柱柱脚脚锚栓布布置图图。在图8-7中，从安安全全角度考考虑，中中柱两个个锚栓栓可换成成四个个，但间间距不不能太大大，以以保证铰铰接。图8-777铰接柱脚脚锚锚栓布置置图图888-8刚柱脚锚锚栓栓布置图图在工程上经常会会会提出这这样一一些问题题：锚锚栓能否否抗剪剪？垫板板是否否要与底底板焊焊牢？在在施工工时锚栓栓是否否拧紧？？我国国钢结构构设计计规范是是不允允许锚栓栓抗剪剪的，剪剪力是是通过底底板和和基础顶顶面的的摩擦力力来传传递的，若若不不满足要要求则则须设抗抗剪键键（图8-9）。(a)(b)图8-9抗剪键键上海市轻钢规程程程规定，采采用用靴梁的的刚接接柱脚以以及考考虑地震震作用用组合时时的外外露式柱柱脚的的锚栓不不得用用于传递递柱脚脚底部的的水平平反力，此此水水平反力力应由由底板与与混凝凝土基础础顶面面间的摩摩擦力力承受，摩摩擦擦系数可可取00.4，当当水水平反力力大于于摩擦力力时，应应设置抗抗剪键键，上述述情况况之外，外外露露式柱脚脚的锚锚栓可以以传递递柱脚底底部的的水平反反力，但但必须进进行计计算，并并将垫垫板与底底板焊焊牢。后后者应应该更合合理些些，因为为轻钢钢结构重重量比比较轻，摩摩擦擦系数为为0..4时底板板和和混凝土土之间间产生的的摩擦擦力很小小，特特别是在在风吸吸力起控控制作作用时，底底板板与混凝凝土之之间几乎乎不存存在压应应力，也也即摩擦擦力几几乎没有有，如如果按钢钢结构构设计规规范，在在此情况况下很很难满足足摩擦擦力抗剪剪的条条件，很很多结结构须设设抗剪剪键，但但在实实际工程程中很很少设抗抗剪键键，也没没有因因此发生生工程程事故，可可见见锚栓参参与了了抗剪。若若锚锚栓抗剪剪，一一方面锚锚栓须须满足强强度要要求，另另一方方面与锚锚栓相相邻的砼砼不发发生局部部承压压破坏。有有人人认为锚锚栓应应该拧紧紧，这这样有利利于传传力，这这种说说法是不不正确确的，对对于目目前常用用的平平板式柱柱脚，考考虑锚栓栓传递递剪力的的情况况，锚栓栓不应应该拧得得很紧紧，这样样锚栓栓在垫板板开孔孔中产生生微小小滑动，使使其其与垫板板孔壁壁接触，而而垫垫板又与与底板板焊牢，从从而而起到传传递剪剪力的目目的。但但对于固固接柱柱脚，为为保证证弯矩传传递须须拧紧锚锚栓。三、特殊情况下下下轻钢结结构基基础⒈格构式柱基基基础格构式柱的柱脚脚脚有整体体式和和分离式式两种种，整体体式一一般用于于受力力较小、两两分分肢间距距较近近时，但但比较较耗材，在在大大多数情情况下下采用分分离式式柱脚；；分离离式柱脚脚两肢肢完全分分开，每每个肢均均为轴轴心受力力。由由于两种种柱脚脚构造不不同，造造成基础础设计计也不同同。对对于整体体式柱柱脚，由由于柱柱脚底板板是整整块的，且且设设置一定定数量量加劲肋肋，使使柱脚形形成一一个整体体刚度度，因而而作为为基础的的一个个支点，这这样样基础仅仅需底底部配置置受力力筋，而而上部部不需配配筋（图8-10a）;对于分离离式柱脚，柱柱肢是分开开的，但其其基础很难难分开，因因而为基础础提供了两两个支点，此此时在基础础上部出现现负弯矩，也也即出现受受拉的情况况，在基础础配筋时须须注意，应应同时配置置上、下部部钢筋（图图8-10b）。(a)整体式式式柱脚基础础((b)分离式柱柱脚脚基础图8-10格构构式柱基础⒉地坪有较高高高承载力时时的的基础处处理在实际工程中，经经常碰到一些些改建、扩建建工程，比如如在集装箱码码头建造轻钢钢厂房，或在在老建筑旁扩扩建轻钢房屋屋但基础很难难施工，等等等。在进行这这类工程的基基础设计时，可可考虑采用喜喜利得（HILTI）锚栓，该该锚栓由瑞士士喜利得公司司生产，在国国内工程中已已得到广泛应应用，这种方方法不需设计计基础，只要要地坪具有足足够的强度，就就可直接在地地坪中预埋HHILTI锚锚栓。下面提提供HILTI锚栓的有关关技术数据，有有关锚栓固定定设计方面的的细节可向喜喜利得公司垂垂询。表8-1HILLTII锚栓有关关技技术数据据HAS螺杆尺寸N设计抗拉力（KN）V设计抗剪力（KN）HVU尺寸（mm）孔径do（mm）孔深ho（mm）M810.37.981080M1013.812.6101290M1219.818.31214110M1628.934.61618125M2052.454.02024170M2475.577.82428210M2792.4164.02730240M30121.3199.33035270M33142.5248.43337300M36169.4291.53640330M39194.1350.639423601、以上数据用用用于：◆混凝土强强度度为C25//330。◆镀锌螺杆杆需需符合ISO88998T115..8级。◆要达到以上剪剪剪力，基材材厚厚度（h）不小于于边边距（C）的1.5倍。2、要更大力量量量可增大孔孔深深，但最最大不不能超过过标准准2倍深。3、HVU管剂剂主主要化学成成成分为：Vinyyllureethhane树脂。4、有关锚栓安安安装时边距距和和间距和和混凝凝土对拉拉力和和剪力的的影响响请与HILTTI工程师联联系系。5、M24以上上的的螺杆设计计计剪力是是依据据8.8级钢材。表8-2HVU配件HAS螺杆HVU药剂管HAS螺杆品名品号品名品号HVUM888×800256691///7HASM888×111066001/999HVUM1110×90256692///5HASM1110×13066002/777HVUM1112×110256693///3HASM1112×16066003/555HVUM1116×125256694///1HASM1116×19066004/333HVUM2220×170256695///8HASM2220×24066084/444HVUM2224×210256696///6HASM2224×29066085/111HVUM2227×240256697///4HASM2227×340259990///0HVUM3330×270256698///2HASM3330×380259991///8HVUM3333×300256699///0HASM3333×420229728///1HVUM3336×330256700///6HASM3336×460259992///6HVUM3339×360256701///4HASM3339×510259993///4第三节典型柱柱柱基础细细部详详图通过前面讨论，我我们已经对轻轻钢结构基础础有一个初步步了解，现结结合实际工程程，给出几种种典型柱基础础详图，以供供大家参考。⒈柱下独立基基基础图8-11柱下下独立基础⒉柱下条形基基基础图8-12柱柱下条形形基础础第四节柱底底底板和锚锚栓设设计[9]]一、轴心受压柱柱柱脚设计计⒈底板面积式中：——柱轴轴轴心压力力设计计值。——基础所用钢钢筋筋砼局部承承承压强度度设计计值。——锚栓孔面积积⒉底板厚度底板压力：对于底板弯矩，分分以下情况进进行设计：⑴四边支承板板板其中：a——短短短边长度度b——长边长度度——系数，由查查表表8-3求得。表8-3四边支承承板板系数1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.00.0480.0550.0630.0690.0750.0810.0860.0910.0950.0990.1020.125⑵三边支承、一一一边自由由板或或两邻边边支承承板其中：——自由由由边长或或对角角线长度度——两相邻固定定边边顶点到的的的垂直距距离——系数，由查查表表8-4求得。表8-4三边支承承、一一边自由由或两两邻边支支承板板系数0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.80.0270.0360.0440.0520.060.0680.0750.0810.0870.0920.0970.850.90.951.01.11.21.31.41.51.752.00.1020.1050.1090.1120.1170.1210.1240.1260.1280.130.132当时，按悬臂长长长为的悬臂臂板板计算。⑶一边支承、三三三边自由由板其中：C——悬悬悬臂长度度。最终弯矩设计值值值最佳设计方案应应应使接近相相等等，若相相差较较大，应应调整整区格。若不考虑塑性发发发展，则则：由于上述求出的的的弯矩是是每延延米弯矩矩，即即：代入上式可得底底底板厚度度：我国钢结构设计计计规范中中考虑虑底板塑塑性发发展，故故求底底板厚度度时采采用下式式计算算：⒊锚栓设计由于该该该柱脚不不承担担弯矩，为为铰铰接柱脚脚，故故锚栓按按构造造设置。二、偏心受压柱柱柱脚的计计算这里针对实腹整整整体式柱柱脚进进行设计计，而而对于分分离式式柱脚，相相当当于独立立的轴轴心受压压柱脚脚，其计计算方方法同轴轴压柱柱脚。⒈底板面积假定底板下压应应应力成直直线分分布式中：N，M————柱轴心压压力力和弯矩矩设计计值。——基础所用钢钢筋筋砼局部承承承压强度度设计计值⒉底板厚度取（区段内最大大大地基反力力），其其余计算算同轴轴心受压压柱。⒊锚栓计算当时，底板与基基基础开始脱脱离离，从而而产生生拉应力力，而而该拉应力合力应应应由锚栓栓来承承担，如如图88-133所示示。图8-13锚栓计计算简简图则：即：式中：，，则锚栓所需要的的的有效截截面面面积为：：式中：——锚栓栓栓抗拉强强度设设计值。求得锚栓所受的的的拉力或或锚栓栓有效截截面面面积后，直