工业厂房钢结构基础设计的要点

工业厂房钢结构基础设计的要点

高福红

蓝图设计（江苏）有限公司   215101

摘要：基础是建筑的根基，基础的优劣直接影响工业厂房的上部结构达到最基本的强度与稳定指标，确保钢结构工业厂房的安全生产和可持续发展。上部厂房钢结构的承载能力和正常使用得以发挥，直接取决于钢结构的基础部位设计。因此，本文探讨了对于钢结构工业厂房进行的基础设计基本思路，合理给出厂房钢结构基础设计的相关对策。

关键词：工业厂房；钢结构；基础设计要点

在目前的现状下，钢结构的工业厂房总体建设规模正在快速趋向于扩大。钢结构厂房具有荷载性能良好、抗震性能较高以及灵活布置可控的基本特征。工程设计人员具体针对于厂房钢结构在全面开展实施合理设计的过程中，总体实施目标应当体现在结合厂房钢结构的建筑材料特性，从而具有针对性的实现钢结构优化设计效果。厂房钢结构的工程设计人员有必要重点针对于厂房桩型选择、桩基承台结构、厂房柱脚、基础的埋深和基础的防腐予以科学的布局设计，旨在明显提升厂房的合理设计，优化基础的布置和后期厂房的改扩建。

一、工业厂房的钢结构设计实例

  张家港某钢结构的工业厂区红线面积为65.6亩，生产原料为高级润滑油，基础油，废矿物油，初级基础油，润滑油添加剂，精制溶剂（作为催化剂使用）等,本项目所在地场地类别为Ⅲ类。本项目抗震设防类别划为乙类，其抗震措施按提高一度设计。本区域稳定性好，地震活动总的特点是震级小，强度弱，频率低。本场区地面粗糙度为B类。根据《建筑抗震设计规范（2016版）》、《中国地震动参数区划图》的规定，该项目抗震设防烈度为6度（g=0.05g），特征周期值0.55s，设计地震分组为第二组。地下水及土对砼中钢筋微腐蚀，干湿交替环境下具有弱腐蚀性。建设项目位于长江岸边，属冲积平原地区，本地区建筑场地类别为Ⅳ类，根据建厂地区临近地块的地质勘探报告描述，场地地基为第四纪全新世沉积物，土层含水量高，压缩性高，强度低，本场地无液化土层存在，地下水位埋深1.0～1.2m以下，对混凝土无侵蚀作用。①层粉质粘土，厚度1.2～1.3m；②层淤泥粉土夹砂粘土，厚度3.2m；③层淤质粉质粘土，厚度6.0m；④层粉砂，未穿透。

本单体车间楼面共三层，楼面活荷载500kg每平方。柱网6mx6m，层高6米，楼面布置较多重型反应釜，根据电算结果，单个单柱荷载标准值2000KN，首先排除天然基础的可能。根据当地经验及地勘报告的建议，拟采用DN400的PHC管桩，单桩承载力预估500KN，4~5桩的承台设计也符合设计思路。

图为工业厂房的钢结构基础设计图

二、工业厂房的钢结构基础设计要点

（一）桩结构设计

钢结构的厂房桩结构形式将会直接关系到地基承载力，那么厂房建筑设计人员务必保证针对于桩型体系结构进行合理的参数优化选择。具体针对于桩结构的各项基本参数在进行科学计算时，应当保证桩端选择合理的持力层和合理的桩径，防止由于超出较大的沉降导致钢结构主体发生扭曲或者形状改变等风险。桩型的选择一般因地制宜，选用当地经验比较成熟的桩基形式，根据上部荷载的大小来确定桩长和桩径。本工程桩基参数如表1，附桩基承载力计算：

需要注意的是，不同地域的地勘情况，对桩基有特殊的要求，比如液化土层，我们需要根据标贯锤击数，对桩侧土层进行液化折减[4]。存在负摩阻力的土层，我们要考虑负摩阻力的不利影响。上部荷载较大的工业厂房，桩数控制在三桩~八桩的施工节段[2]的布置比较常见，否则应调整桩长及桩径。特殊情况时，选用桩筏的工程也是有可能的，此时若满足一定的条件可以考虑地基与上部结构的相互作用，对刚性地基假定的水平地震剪力可以按照《建筑抗震设计规范（2016版）》进行折减。

桩基础桩周土的侧摩阻力、桩端土端阻力特征值建议值     表1

本案例采用混凝土管桩，根据地勘报告有以下设计计算：

6-6剖面， 节点20处桩 桩入持力层5，有效12m，入土深度为3.1m，管桩直径为0.4m，壁厚95mm， 2层土厚0.4米 ,3层土厚3.4米 , 4层土厚5.1米，5层土厚3.1米，单桩的承载力特征值如下：

/=3.1/0.21=14.7>5,；=0.8

=0.1256m2; =0.0346

==3500(0.1256-0.0346+0.8x0.0346)=415KN

= u∑qsikLi= 3.140.40（300.6+353.4+605.1+753.1）=848KN

=+=415+848=1263KN

=600KN

（二）桩基承台设计

桩基承台是连接上部结构与桩基础的媒介，桩基承台的轴向作用力、弯矩作用、水平地震力作用以及承台的混凝土等级等各项关键因素都要得到全面的准确考虑。在此基础上，厂房设计人员针对柱底部的轴向最大作用力应当进行准确的计算判断，最好将厂房桩基础设计为独立承台的结构[3]，因非独立承台需进行有限元计算。承台的计算主要满足构造要求和计算要求。构造一般比较容易满足，按照相关规定即可；计算主要体现在承台的高度和配筋。高度又往往是由承台的冲切控制的，冲切是立体的剪切，如果冲切满足要求，剪切一般也会满足要求。桩基锚入承台的深度[6]：一般要求是不大于800mm的小直径采用50mm，大于800mm的大直径桩采用100mm。这里要强调的是承台配筋是采用的承载能力基本组合，而我们选取桩数量是采用的承台效应的标准组合，要注意区分。

根据工业厂房的以下特点,第一，地面经常会有较多的设备，为了防止设备基础与主体基础的碰撞，建议车间基础的埋深大于1.8m为宜。第二，有配电间功能属性的车间，后期会有电缆井等附属结构，电缆井埋深正常1米，考虑承台的高度，基础的埋深选择1.8以上能满足此要求。第三，生产过程中，当有强酸或者强碱泄露作用时，基础的埋置深度也不应小于2m。

（三）钢结构柱脚设计

在目前的现状下，厂房建筑的工程设计人员针对外露式、外包式、埋入式、插入式的厂房柱脚应当进行灵活的优化选择。具体在设计钢结构的柱脚过程中，经验做法是上部荷载不大，如单层的轻钢屋面或者抗震设防烈度为6度时，可选用外露式基础。外露式基础又分为铰接外露式和刚接外露式，门式刚架一般选用铰接外露式；但是单层门式刚架高度超过12m或者柱顶弯矩太大时，导致柱顶截面和梁端截面非常大，此时的门式刚架采用刚接外露式较合适，原理是刚接时柱顶弯矩可以下传减小。近年来刚接柱脚的做法在慢慢减少，根据抗震精神，刚接的柱脚极限抗弯很难计算通过，当6度区且不需要进行抗震计算时，刚接柱脚才能派上用场或柱顶荷载很小时，通过增加地脚螺栓，也能实现。高烈度区如8度区及以上应选用外包式柱脚，其本质原因是地震工况下，柱脚与基础的连接极限承载力应大于柱的塑性受弯承载力[4]，高烈度地区情况下，这条规定几乎很难满足。

根据研究，埋入式柱脚管壁局部变形引起的应力集中，使角部应力最大，而冷成型钢管角部因冷加工使钢材变脆。在埋入部分的上端，应采用内隔板、外隔板、内填混凝土或外侧设置栓钉等措施，对箱型柱壁板进行加强。当采用外隔板时，外伸部分的长度应不小于管径的1/10[8]，板厚不小于钢管柱壁板厚度。

实腹式钢柱采用埋入式，插入式柱脚的埋入深度，应由计算确定，且不得小于钢柱截面高度的2.5倍。格构式柱采用插入式柱脚的埋入深度，应由计算确定，其最小插入深度不得小于单肢假面高度的2.5倍，且不得小于柱总宽的0.5倍。采用外包式柱脚时，实腹H形截面柱的钢筋混凝土外包高度不得小于2.5倍钢结构截面高度，箱型截面或圆管截面柱的钢筋混凝土外包高度不宜小于3倍钢截面高度或者圆管截面的直径。

（四）基础的防腐

本工程地下水及土对砼中钢筋微腐蚀，干湿交替环境下具有弱腐蚀性。根据《工业建筑防腐蚀设计标准》，应对基础做防腐处理。防腐主要分两种结构构件：具体列表处理如下：

表2 基础与垫层的防护要求[7]

需要注意的是，在地面以下的砌体结构，表面用水泥砂浆找平后，也要按照表2的要求，进行构件表面的防腐处理。

基础的防腐，往往会涉及到自身耐久性的问题。腐蚀性高时，所要求的混凝土等级则相应要增强，钢筋的保护层也要相应加大，图纸中氯离子和碱含量也应做重点交代。同时，基础钢筋尽量不要太细，建议选择直径14以上的钢筋作为基础的受力钢筋，要求严格时，钢筋表面可涂环氧涂层。基础梁作为联系基础的重要措施，现规范对有抗震要求的地带都要求承台增设基础拉梁。基础梁的防腐要求可按照下表，设计中应按要求设置。

表3 基础梁的防护要求[7]

三、工业厂房的钢结构设计参数选取

随着现代化的进程，钢结构越来越被业主们所接受和青睐，合理选择钢结构的各项荷载参数指标具有显著的实践影响意义。在目前的现状下，工业厂房的设计规划人员针对智能化的立体结构模型已经能够全面普及运用于厂房建筑设计，进而实现了针对各项参数设计指标的动态把握。通常来讲，厂房的恒荷载和活荷载都有准确的规范可以遵循，工业建筑的各种组合值系数与民用建筑的各位组合值系数不同，部分重力荷载组合值系数见表4：

表4 重力荷载组合值系数[9]

在优化设计钢结构的基础参数时，关键应当体现在准确计算现有的组合工况相关数据指标。除此以外，厂房设计人员还需全面考虑到厂房的地面堆载以及后期管架、喷淋等管道的吊挂荷载，确保将以上两项关键影响要素包含在钢结构的设计参数选取考虑范围。工程技术人员对于钢结构的组合系数以及地面堆载参数应当实施准确的操作和输入，进而计算得到最大弯矩和最大反力等参数。工程设计人员针对钢结构大型厂房的常用基础形式应当进行综合性的考虑选择，结合立体化的建模技术方法来实施准确的判断。

结束语：

经过分析可见，钢结构厂房的正常生产使用必须要依赖于完整的基础结构设计，也由此体现了合理优化厂房钢结构的基础设计图纸必要性。厂房建筑设计人员首先要合理确定现有的钢结构各个部位荷载输入，通过构建立体化的钢结构体系模型来准确判断现有的厂房建筑荷载参数指标。为了较为合理的设计基础，以上提供了从开始参数输入到成套图纸输出一整套基础的设计思路，其中包括强度设计和耐久性设计，相信基础的设计和防腐将日益受到重视。

参考文献：

[1]冯晓锋,周瑞.某重型钢结构工业厂房基础设计[J].江苏建筑,2018(01):95-97.

[2]常玉娟.复杂地形地貌地基上轻钢结构厂房的基础设计[J].中国科技信息,2019(10):78.

[3]贾德成.门式刚架轻型钢结构工业厂房基础设计与研究[J].辽宁师专学报(自然科学版),2019(01):87-89.

[4]建筑抗震设计规范[GB50011-2010],2016版.

[5]钢结构设计标准[GB50017-2017].

[6]建筑桩基技术规范[JGJ94-2008].

[7]工业建筑防腐蚀设计标准[GB/T 50046-2018].

[8]高层民用建筑钢结构技术规程[J2105-2015].

[9]石油化工建（构）筑物结构荷载规范[GB 51006-2014].