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

        2023-11-07 21:14:55林振楊
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2023年19期
        關(guān)鍵詞:柱腳鋼柱吊車

        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,新建的大型鑄造車間廠房占地面積8.06 萬m2,建筑面積80 596.13 m2,建筑物總長度437.4 m,總寬度180.3 m,廠房最大高度26.9 m(脊高)。車間為南北向六聯(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,吊車最大噸位為500 t,其中,第二、第三跨大吊車下設(shè)置80~100 t 的半門吊,車間屋頂設(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)。鑄造車間建筑效果圖如圖1所示。

        圖1 鑄造車間廠房建筑效果圖

        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,建筑場地類別為Ⅲ類。場地土基本凍深0.6 m??紤]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?;狙簽?.35 kN/m2。屋面設(shè)計(jì)活荷載為0.5 kN/m2。吊車工作級(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)目車間運(yùn)行吊車噸位很大,最大吊車500 t,位于BC軸跨內(nèi),其余跨除AB 軸跨為20 t 外,各跨吊車也在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(用于較小噸位吊車鋼柱)、600 mm(用于大噸位吊車鋼柱)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 樁長的確定

        樁長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、車間內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)的布置、地下水位的標(biāo)高、施工開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23 m 左右(砂處理設(shè)備下沉承臺(tái)處樁長為17 m),長徑比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,一是通過加大承臺(tái)面積和埋深來增加基礎(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 軸吊車噸位較小,實(shí)腹式鋼柱下采用3 樁承臺(tái),B、C 軸吊車噸位較大,格構(gòu)式鋼柱下采用9樁承臺(tái)。D、E、F 軸吊車噸位居中,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)。鑄造車間各軸線典型樁承臺(tái)布置如圖2 所示。

        圖2 鑄造車間典型樁基承臺(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fy=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s=3 160 mm,受壓肢周長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,車間內(nèi)也有重型平車運(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。

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