门式刚架轻型房屋钢结构基础的设计与研究

王启飞

辽宁省第三建筑工程公司111000

摘要：门式刚架轻型房屋钢结构具有施工便捷、载荷稳定以及刚度水平高等诸多优点，是当前工业厂房的主要结构形式。基础结构对于工程的整体稳定性有着关键性影响，因此研究分析其设计要点具有重要现实意义。本文在阐述门式刚架轻型钢结构的基础形式的基础上，分析了基础结构部分的受力特征，并提出了相应的设计方法，旨在提供一定的参考与借鉴。

关键词：门式刚架；轻型钢结构；基础；设计

1门式刚架轻型钢结构的基础形式

门式刚架轻型房屋钢结构通常采用扩展基础、柱下条形条基和桩基础。

1.1扩展基础

扩展基础用于一般工业厂房柱基、民用框架结构基础等。根据材料的性能，扩展基础可以分为钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础，本文主要研究工业厂房中的钢筋混凝土独立基础。独立基础之间互不联系，如遇荷载不同而影响上部结构的变形时，只能以调整基础面积方式来调整地基不均匀沉降。因此，对于多跨厂房和框架结构，除了按地基承载力特征值计算基础面积外，还需要验算基础间的沉降差。此外，地基的不均匀性也是造成独立基础沉降差的可能因素。

1.2柱下条形基础

一般采用钢筋混凝土为基础材料，与墙下条形基础的受力不同，柱下条形基础的荷载为集中荷载，基础反力分布为非线性的。条形基础在结构跨度较大地基承载力较差的工业厂房中也经常采用。

1.3桩基础

桩基础是应用较为广泛的一种基础形式，特别是在软土地区，几乎与高层建筑联系在一起。按桩的受力与工作性能可以分为单桩和群桩，单桩的承载力是由桩土间的摩擦力和桩端的阻力组成；群桩是由数根单桩排列而成，通过承台将群桩构成一个整体，具有刚度大、沉降均匀和抗震性能好等优点。

门式刚架轻型房屋钢结构常用基础的形式有：（1）钢筋混凝土独立基础一般应用于地基土质较均匀、承载力相对较大、基础持力层分布相对均匀的结构中，一般埋置较浅，为保证基础的整体稳定性和减小不均匀沉降，需要设置基础地梁；（2）柱下条形基础多用于加固工程中，在处理新旧建筑物基础时，可以避免对旧建筑物基础造成不利的影响。对于地基承载力较差，土质不均匀，也可采用这种基础形式；（3）桩基础一般用于土质较差，承载力较差，地质构造较为复杂的结构中。

2门式刚架轻型房屋钢结构基础受力特点分析

钢结构厂房的柱脚形式可分为铰接柱脚和刚接柱脚两种。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单；而对于刚接柱脚，基础则要受到偏心荷载作用（如图1所示）偏心距e：

图1刚接柱脚偏心载荷作用示意图

其中M-柱脚弯矩；N-柱脚轴力；V-柱脚水平剪力；G-基础底面以上压重，h-基础高度。

对门式刚架轻型钢结构厂房来说，以下因素往往决定了基础的受力特点：

（1）厂房多带吊车，有时吊车吨位较大，横向水平位移难以控制，要求柱脚刚接；纵向水平荷载由柱间支撑承受，故柱脚多为铰接；

（2）由于钢结构自振周期较长，而结构自重较轻，水平地震作用相对较小。水平控制荷载多为风荷载加吊车水平制动荷载；

（3）结构重量轻，风荷载和吊车水平制动荷载相对较大，造成基础偏心距P较大，一般最大偏心距可达1.5-2.0m左右；

（4）门式刚架轻型钢结构厂房单层或单层带夹层，基础多采用单独基础，而且埋深较浅。

3门式刚架轻型房屋钢结构基础形式的选择

3.1问题的提出

由于以上受力特点及设计要求，对于吊车的工业厂房，工程中常采用刚性柱脚，该柱脚形式可以提高厂房的整体刚度，从而减少侧移。但这样一来，基础一般作用有较大的弯矩。这个问题在门式刚架轻钢结构体系中尤为明显。由于自重轻，水平荷载与竖向荷载比值较大，在风荷载及吊车荷载的共同作用下，厂房边列柱柱脚荷载偏心距较大。根据笔者的工程设计经验，偏心距一般在1.0m左右，有时甚至更大。

3.2门式刚架轻型房屋钢结构基础形式的选择

根据以上分析，按常规的单独基础设计，基础的宽度将达到6-12m，这在实际工程中是难以接受的。通过研究分析，我们认为可以采用以下方法加以解决：

（1）增加基础压重

根据公式，在柱脚内力（M，V，N）和基础形式（b，h）已确定的情况下，增加基础压重G是减少e的较好措施，实际工程中通常有两种方法可以操作：

①厂房设底部加重墙：一般为粘土砖，并使其重量通过地基梁传到基础上。若能充分利用围护墙重，不失为减少基础偏心距的好办法。但此法往往受墙体材料、墙高及建筑要求的限制。

②增加基础埋深：增加基础埋深对基础设计来说，变化有两个，其一使考虑深度修正后的地基承载力设计值f增大，但这对受偏心距控制的基础来说无关紧要；其二是基础底面以上压重G增大，这对降低偏心距来说是有利的。

实际工程中要通过增加基础埋深来降低偏心距可以有两种做法，一是保持底标高不变，即通过增加混凝土基础的高度来实现。显然用这种办法来增加G并非经济之举，并且增加同时会增大由柱脚水平剪力V引起的附加弯矩V•h。另一种做法是降低柱底标高而使h不变，仅该方法使刚架柱长度加大，就会使柱脚的反力增加（特别是M值），同时使刚架用钢量和工程量增加。

所以，通过增加基础埋深来降低偏心距e的做法，在e的一定的范围内是有效的，在设计中要综合考虑，全面衡量。

（2）采心偏心基础：此方法只适用于偏心距P较小的情况下，其原理就是使基础本身受力偏心，相当于针对较大的M增加一个反向的弯矩，使基础满足设计要求。此种基础形式在工程中较少采用，若吊车吨位不太大，一般可以考虑采用柱下偏心基础形式。但此时为保证基础不致过分倾斜，基础与基底土接触不脱离，基础底面偏心距必须满足载荷平衡条件。偏心基础一般可以减少基础尺寸，但对于大吨位和重级工作制吊车，该方法应谨慎使用。

（3）采用桩基础

对于过大偏心距的基础，当采用以上方法不能解决基础过大侧移问题时，可以考虑采用桩基础。常用的桩种类较多，如灌注桩或预制钢筋混凝土桩。但采用桩基不仅增加了设计施工的复杂性，而且造价往往较高，因而是门式刚架轻型钢结构厂房基础设计中最后不得已采用的基础形式。

结语

综上所述，门式刚架轻型钢结构的基础具有其自身特殊性，因此设计人员需要更为准确有效的把握设计要点，提升设计方案的科学性，保证工程的整体稳定性。

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