工業(yè)廠房柱基礎設計的優(yōu)化

由于鋼結(jié)構(gòu)具有施工時間短、施工簡單、重量輕、強度高、抗疲勞防滑性能好、拆卸性能好等優(yōu)點，它不僅適合工業(yè)化生產(chǎn)，也適合節(jié)能環(huán)保、環(huán)境保護的建筑結(jié)構(gòu)。符合可持續(xù)、可持續(xù)、健康的經(jīng)濟發(fā)展要求。因此，現(xiàn)代工業(yè)設備的結(jié)構(gòu)中越來越多的采用了鋼結(jié)構(gòu)。正是由于鋼結(jié)構(gòu)自重輕的特點,使得廠房柱子所受的軸力較小,而工業(yè)廠房多采用排架結(jié)構(gòu),柱底彎矩通常相對較大,因此經(jīng)常使柱基礎底面壓力出現(xiàn)零應力區(qū)。1地基持力層結(jié)構(gòu)新疆八一鋼鐵股份有限公司高速線材廠房采用鋼結(jié)構(gòu),柱距12m,上柱為實腹H形,下柱為雙肢鋼管混凝土柱,腹桿為?140×5鋼管(不灌注混凝土),屋面采用梯形鋼屋架,H型鋼檁條,壓型鋼板屋面板;吊車梁為實腹工字型斷面鋼吊車梁;墻面板為壓型鋼板,卷邊C型鋼墻梁。地質(zhì)條件大致如下:1)雜填土層:由人為隨機堆填而成,力學性能差,不宜作為建筑物地基持力層。2)含礫粉土層:力學性能差,未經(jīng)處理不宜作為重要建筑物的地基持力層。3)卵石層:力學性能好,為擬建建筑物良好的天然地基持力層。fak=450kPa4)卵石層:力學性能好,為擬建建筑物良好的天然地基持力層。fak=600kPa采用STS建模計算,其中某柱子作用于基礎頂面的各組內(nèi)力標準組合如表1所示。柱子基礎采用插杯口獨立基礎,選擇第3層卵石層作為持力層,基礎頂面標高-0.500m,基礎底面標高-4.500m,室外地面標高-0.150m,室內(nèi)地面標高±0.000m,假設地基承載力暫不考慮寬度修正,則根據(jù)GB50007-2002《建筑地基基礎設計規(guī)范》式(5.2.4)計算修正后的地基承載力特征值為:fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=450+0+4.4x18x(4.35-0.5)=754.92kPa根據(jù)STS程序計算結(jié)果,基礎底面尺寸為l×b=3.3m×4.95m,此時基底壓力最大值Pkmax=200.417kPa,基底壓力最小值Pkmin=1.766kPa,控制荷載為第50組內(nèi)力組合。2基礎基底控制規(guī)范對比從以上計算結(jié)果可以看出此時地基承載力并未得到充分利用,這是由于程序內(nèi)部設定在偏心荷載作用下,基底壓力需滿足Pmax≤1.2fa且Pmin≥0的條件,在此條件設定下,當偏心距e>b/6時,基底壓力出現(xiàn)負值,即Pmin<0,即便此時滿足了Pmax≤1.2fa的條件,程序也會自動加大基礎底面,直至滿足Pmin≥0的條件,這樣就很容易造成上述情況的發(fā)生,地基承載力越高,越得不到充分利用。本例中滿足Pmin≥0條件后,此時的偏心距e≤b/6,其實根據(jù)GB5007-2002中第5.2.2條規(guī)定,允許偏心距e>b/6情況的存在,即當e>b/6,基底壓力出現(xiàn)負值,基礎底面趨向于脫離土體,局部基底壓力變?yōu)?,同時基底最大壓力Pmax不斷增大且需滿足Pmax≤1.2fa,基底壓力重新分配后呈三角形分布,如圖1所示。這里規(guī)范并沒有對基底零應力區(qū)的范圍明確加以限定,是否就能說明假設在地基承載力足夠高的情況下,基礎設計時零應力區(qū)就可以做到非常大,答案是否定的。那么限制到多少才合適呢?下面從各本規(guī)范中涉及到此內(nèi)容的相關(guān)規(guī)定中進行一下簡單的分析。1)GB5007-2002中5.2.2條規(guī)定當e>b/6時,Pkmax應按式(1)計算:pkmax=2(Fk+Gk)3la(1)pkmax=2(Fk+Gk)3la(1)式中:l為垂直于力矩作用方向的基礎底面邊長;a為合力作用點至基礎底面最大壓力邊緣的距離。此規(guī)定只對Pkmax做了限制,未對零應力的范圍進行限制。2)GB5007-2002中8.4.2條和JGJ3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》12.1.5規(guī)定箱形、筏形基礎在荷載效應準永久組合下,偏心距e宜符合下式要求:e≤0.1W/A(2)式中:W為與偏心距方向一致的基礎底面邊緣抵抗矩;A為基礎底面積。此規(guī)定可以理解為高層建筑整體式基礎在無地震作用組合時,對偏心距e控制的一個要求;如果將W=lb26W=lb26帶入上式的話,得到e≤b60e≤b60,可以看出此項控制比較嚴格。3)GB50011-2001《建筑抗震設計規(guī)范》4.2.4條和JGJ3-200212.1.6規(guī)定高寬比大于4的高層建筑,在地震作用下基礎底面不宜出現(xiàn)拉應力;其他建筑,基礎底面與地基土之間零應力區(qū)面積不應超過基礎底面面積的15%。此處拉應力即為零應力,其他建筑為寬高比不大于4的高層建筑。根據(jù)以上規(guī)范規(guī)定可以看出,規(guī)范對高層建筑在有地震參與時,對基礎底面的零應力區(qū)做了明確控制;在無地震參與時,對基礎底面偏心距做了明確控制,而且控制比較嚴格。而對像本工程這樣的工業(yè)廠房獨立柱基礎,規(guī)范沒有做明確規(guī)定。鑒于這種情況,針對本工程的結(jié)構(gòu)自身特點,結(jié)合本工程的基礎持力層情況,考慮到單層廠房在地震作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題并不突出,若參考高層建筑15%的限制則未免過于嚴格,應考慮適當放寬;而在沒有地震作用參與時,若對零應力區(qū)不加限制,則可能引起基礎較大傾斜,造成上部結(jié)構(gòu)傾斜進而影響吊車使用。最終在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下,為了使基礎設計盡量經(jīng)濟,確定在有地震和無地震參與時,均對基底零應力區(qū)進行控制,并限定零應力區(qū)面積不超過基礎底面積的30%,以此來確定最不利的基礎底面。結(jié)合上面的數(shù)據(jù)做進一步說明。數(shù)據(jù)中作用于基礎頂面的80組內(nèi)力標準組合,其中23~26、69~80組內(nèi)力組合為有地震參與的標準組合。分別選取第50組和第76組組合進行計算,同時控制零應力區(qū)面積不超基礎底面面積的30%,經(jīng)過試算后,基礎底面尺寸選用l×b=2.8m×4.2m,選取第76組組合進行驗算:此時,e=【math203】=690.19+48.13×4271.27+2.8×4.2×4.5×20=882.711329.67=0.664m<b6Ρkmax=Fk+GkA(1±6eb)=1329.672.8×4.2(1+6×0.6644.2)=220.32kΡa＜1.2faEPkmin=5.82kPa>0選取第50組組合進行驗算:此時,e=ΜkFk+Gk=857.39+120.29×4181.18+2.8×4.2×4.5×20=1338.551239.58=1.080m＞b6a=b2-e=4.22-1.080=1.020m則零應力區(qū)所占百分比為:b-3ab×100%=4.2-3×1.0204.2×100%=27.14%＜30%基底最大壓力pkmax=2(Fk+Gk)3la=2×1239.583×2.8×1.020=289.35kPa<1.2fa3程序基面設計的不足通過上述過程的計算,最終基礎底面為2.8m×4