工业厂房柱基础设计的优化

工业厂房柱基础设计的优化

由于钢结构具有施工时间短、施工简单、重量轻、强度高、抗疲劳防滑性能好、拆卸性能好等优点，它不仅适合工业化生产，也适合节能环保、环境保护的建筑结构。符合可持续、可持续、健康的经济发展要求。因此，现代工业设备的结构中越来越多的采用了钢结构。正是由于钢结构自重轻的特点,使得厂房柱子所受的轴力较小,而工业厂房多采用排架结构,柱底弯矩通常相对较大,因此经常使柱基础底面压力出现零应力区。1地基持力层结构新疆八一钢铁股份有限公司高速线材厂房采用钢结构,柱距12m,上柱为实腹H形,下柱为双肢钢管混凝土柱,腹杆为ϕ140×5钢管(不灌注混凝土),屋面采用梯形钢屋架,H型钢檩条,压型钢板屋面板;吊车梁为实腹工字型断面钢吊车梁;墙面板为压型钢板,卷边C型钢墙梁。地质条件大致如下:1)杂填土层:由人为随机堆填而成,力学性能差,不宜作为建筑物地基持力层。2)含砾粉土层:力学性能差,未经处理不宜作为重要建筑物的地基持力层。3)卵石层:力学性能好,为拟建建筑物良好的天然地基持力层。fak=450kPa4)卵石层:力学性能好,为拟建建筑物良好的天然地基持力层。fak=600kPa采用STS建模计算,其中某柱子作用于基础顶面的各组内力标准组合如表1所示。柱子基础采用插杯口独立基础,选择第3层卵石层作为持力层,基础顶面标高-0.500m,基础底面标高-4.500m,室外地面标高-0.150m,室内地面标高±0.000m,假设地基承载力暂不考虑宽度修正,则根据GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》式(5.2.4)计算修正后的地基承载力特征值为:fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=450+0+4.4x18x(4.35-0.5)=754.92kPa根据STS程序计算结果,基础底面尺寸为l×b=3.3m×4.95m,此时基底压力最大值Pkmax=200.417kPa,基底压力最小值Pkmin=1.766kPa,控制荷载为第50组内力组合。2基础基底控制规范对比从以上计算结果可以看出此时地基承载力并未得到充分利用,这是由于程序内部设定在偏心荷载作用下,基底压力需满足Pmax≤1.2fa且Pmin≥0的条件,在此条件设定下,当偏心距e>b/6时,基底压力出现负值,即Pmin<0,即便此时满足了Pmax≤1.2fa的条件,程序也会自动加大基础底面,直至满足Pmin≥0的条件,这样就很容易造成上述情况的发生,地基承载力越高,越得不到充分利用。本例中满足Pmin≥0条件后,此时的偏心距e≤b/6,其实根据GB5007-2002中第5.2.2条规定,允许偏心距e>b/6情况的存在,即当e>b/6,基底压力出现负值,基础底面趋向于脱离土体,局部基底压力变为0,同时基底最大压力Pmax不断增大且需满足Pmax≤1.2fa,基底压力重新分配后呈三角形分布,如图1所示。这里规范并没有对基底零应力区的范围明确加以限定,是否就能说明假设在地基承载力足够高的情况下,基础设计时零应力区就可以做到非常大,答案是否定的。那么限制到多少才合适呢?下面从各本规范中涉及到此内容的相关规定中进行一下简单的分析。1)GB5007-2002中5.2.2条规定当e>b/6时,Pkmax应按式(1)计算:pkmax=2(Fk+Gk)3la(1)pkmax=2(Fk+Gk)3la(1)式中:l为垂直于力矩作用方向的基础底面边长;a为合力作用点至基础底面最大压力边缘的距离。此规定只对Pkmax做了限制,未对零应力的范围进行限制。2)GB5007-2002中8.4.2条和JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》12.1.5规定箱形、筏形基础在荷载效应准永久组合下,偏心距e宜符合下式要求:e≤0.1W/A(2)式中:W为与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩;A为基础底面积。此规定可以理解为高层建筑整体式基础在无地震作用组合时,对偏心距e控制的一个要求;如果将W=lb26W=lb26带入上式的话,得到e≤b60e≤b60,可以看出此项控制比较严格。3)GB50011-2001《建筑抗震设计规范》4.2.4条和JGJ3-200212.1.6规定高宽比大于4的高层建筑,在地震作用下基础底面不宜出现拉应力;其他建筑,基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。此处拉应力即为零应力,其他建筑为宽高比不大于4的高层建筑。根据以上规范规定可以看出,规范对高层建筑在有地震参与时,对基础底面的零应力区做了明确控制;在无地震参与时,对基础底面偏心距做了明确控制,而且控制比较严格。而对像本工程这样的工业厂房独立柱基础,规范没有做明确规定。鉴于这种情况,针对本工程的结构自身特点,结合本工程的基础持力层情况,考虑到单层厂房在地震作用下结构的稳定问题并不突出,若参考高层建筑15%的限制则未免过于严格,应考虑适当放宽;而在没有地震作用参与时,若对零应力区不加限制,则可能引起基础较大倾斜,造成上部结构倾斜进而影响吊车使用。最终在确保结构安全的前提下,为了使基础设计尽量经济,确定在有地震和无地震参与时,均对基底零应力区进行控制,并限定零应力区面积不超过基础底面积的30%,以此来确定最不利的基础底面。结合上面的数据做进一步说明。数据中作用于基础顶面的80组内力标准组合,其中23~26、69~80组内力组合为有地震参与的标准组合。分别选取第50组和第76组组合进行计算,同时控制零应力区面积不超基础底面面积的30%,经过试算后,基础底面尺寸选用l×b=2.8m×4.2m,选取第76组组合进行验算:此时,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选取第50组组合进行验算:此时,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则零应力区所占百分比为:b-3ab×100%=4.2-3×1.0204.2×100%=27.14%＜30%基底最大压力pkmax=2(Fk+Gk)3la=2×1239.583×2.8×1.020=289.35kPa<1.2fa3程序基面设计的不足通过上述过程的计算,最终基础底面为2.8m×4