設備基礎設計中應注意的問題

摘要：工廠的運轉離不開大量的專業設備，設備的正常運行也離不開滿足工藝要求的設備基礎。隨著科學技術的發展，各種工業企業的設備不斷出新，對設備基礎的要求也在不斷變化。怎樣才能設計出既滿足工藝要求又節約甲方投資的設備基礎是我們每個結構設計人員一直研究的問題。

關鍵詞：設備基礎 埋深 配筋 動力計算 螺栓孔 施工

1 概述

工廠的運轉離不開大量的專業設備，設備的正常運行也離不開滿足工藝要求的設備基礎。隨著科學技術的發展，各種工業企業的設備不斷出新，對設備基礎的要求也在不斷變化。怎樣才能設計出既滿足工藝要求又節約甲方投資的設備基礎是我們每個結構設計人員一直研究的問題，筆者對設備基礎設計中遇到的問題和解決方法進行探討，希望達到拋磚引玉的效果。

2 設計原則

任何設備基礎首先都應滿足生產工藝的使用要求，它必須是該設備的可靠支承，以保證設備的正常使用，同時對臨近設備的正常使用不能產生影響。為了滿足這個要求，設備基礎應具有足夠的強度、剛度、穩定性和耐久性。

3 設計條件

要做出好的設計，首先要把設備基礎條件吃透：設備的荷載分布情況、動荷載情況、基礎頂面模板圖、頂標高、預埋件和預留孔情況等。其次要收集設備周邊的資料，例如場地的地質勘查報告、基礎周邊建筑物、構筑物以及其它設備基礎情況等。每一個條件都決定了基礎的某個數據，忽略其中一項就有可能埋下重大的安全隱患。

4 設計要點

4.1 基礎的埋深

4.1.1 結構構造的要求。設備基礎的頂面標高由設備條件確定，底面標高則由結構專業確定。在滿足地基穩定和變形要求的前提下，設備基礎宜淺埋。根據《地基基礎設計規范》（下面簡稱《基礎規范》）5.1.2條，當上層地基的承載力大于下層土時，宜采用上層土作持力層。除巖石地基外，基礎埋深不宜小于0.5m。根據地質勘查報告，當地下水位較高時，根據《基礎規范》5.1.4條，基礎宜埋置在地下水位以上，當必須埋在地下水位以下時，應采取地基土在施工時不受擾動的措施。當地質勘查報告涉及凍土厚度時，基礎埋深還應考慮地基的凍脹性，根據《基礎規范》附錄G.0.2表算出基底下允許殘留凍土層最大厚度。

4.1.2 結構計算的要求。基礎的頂面標高和底面標高確定以后，基礎的厚度也就確定了，因此決定基礎厚度的因素也在左右著基礎的底面標高。

①當剪力作為控制因素時，基礎抵抗沖切破壞的有效高度h0為：

h0≥(1)

am=（at+ab）/2 (2)

Fl=pjAl(3)

式中：βhp——受沖切承載力截面高度影響系數，無量綱；

ft——混凝土軸心抗拉強度設計值，N/mm2；

h0——基礎沖切破壞錐體的有效高度，mm；

am——沖切破壞錐體最不利一側計算長度，mm；

at——沖切破壞錐體最不利一側斜截面的上邊長，mm；

ab——沖切破壞錐體最不利一側斜截面在基礎底面積范圍內的下邊長，mm；

pj——扣除基礎自重及其上土重后相應于荷載效應基本組合的地基土單位面積凈反力，N/mm2；

Al——沖切驗算時取用的部分基底面積，mm2；

Fl——相應于荷載效應基本組合時作用在上的地基土凈反力設計值，N。

值得一提的是受沖切承載力截面高度影響系數βhp的取值，當h不大于800mm時，βhp取1.0；當h大于等于2000mm時，βhp取0.9，其間按線性內插法取用。單從本系數的角度分析，設備基礎板厚應盡量做薄，隨著基礎的加厚，抗沖切能力提高的幅度越來越小，當基礎厚度大于2000mm時，提高的百分比甚微。

②當彎矩作為控制因素時，基礎抗彎有效高度 需要通過以下公式反復試算：

MⅠ=a［（2l+a′）（pmax+p-）+（pmax-p）l］ (4)

MⅡ=（l-a′）2（2b+b′）（pmax+pmin-） (5)

As=(6)

pkmax=+(7)

pkmin=+ (8)

式中：MI、MII——任意截面I-I、II-II處相應于荷載效應基本組合時的彎矩設計值，kN/mm2；

l、b——基礎底面的邊長，mm；

pmax、pmin——相應于荷載效應基本組合時的基礎底面邊緣最大和最小地基反力設計值，kN/mm2；

p——相應于荷載效應基本組合時在任意截面I-I處基礎底面地基反力設計值，kN/mm2；

G——考慮荷載分項系數的基礎自重及其上的土自重，kN；

Mk——相應于荷載效應標準組合時，作用于基礎底面的力矩值，kN/mm2；

W——基礎底面的地抗拒；

pkmax、pkmin——相應于荷載效應標準組合時，基礎底面邊緣的最大、最小壓力值，kN/mm2；

A——基礎底面積，mm2；

③當動力荷載作為控制因素時，一般情況下，基礎頂面的最大振動線位移不應大于0.20mm，最大振動速度不應大于6.3mm/s。

4.1.3 簡化計算。基礎重量還可以按照簡化計算的方法推算：除立式壓縮機以外的功率小于80kW各類壓縮機基礎和功率小于500kW的對稱平衡式壓縮機基礎，當其質量大于壓縮機質量的5倍，且基礎底面的平均凈壓力值小于地基承載力設計值的1/2時，可不作動力驗算。

4.2 基礎的配筋：基礎的尺寸基本確定以后，我們可以根據基礎所受的壓力，彎矩和剪力計算出基礎正常使用所需要配的鋼筋面積并選用鋼筋。

4.2.1 基礎的底面和頂面配筋：普通設備基礎的配筋與柱下獨立基礎底板配筋一樣，按照《基礎規范》8.2.7-4、8.2.7-5計算彎矩，然后按照公式As=計算配筋面積，選配鋼筋。但是有很多設備基礎受力并不大，但是為了滿足工藝要求又必須做厚，比如上面舉例的儀征化纖某廠低壓氮壓機基礎，設備自重加上基礎重的地基反力為p=78.24kpa，遠小于地基承載力特征值fak=200kpa；設備重量均勻分布，荷載小、基礎厚，抗沖切計算需要的配筋面積也很小；設備基礎不承受靜力彎矩，根據彎矩計算的鋼筋面積為零。所以該設備基礎底板按照構造要求配筋。

按照構造要求配筋，就面臨如下幾條規范：

①《混凝土結構設計規范》（以下簡稱《混規》）9.5.1條，表9.5.1，受壓構件的一側縱向鋼筋的最小配筋率為0.2%。

②《混規》9.5.2條，臥置于地基上的混凝土板，板中受拉鋼筋的最小配筋率可適當降低，但不應小于0.15%。

③《動力規范》4.2.2.1，體積為20~40m3的大塊式基礎，應在基礎頂面配置直徑10mm，間距200mm的鋼筋網。

④《動力規范》4.2.2.2，體積大于40m3的大塊式基礎，應沿四周和頂、底面配置直徑10~14mm，間距200~300mm的鋼筋網。

2m厚的混凝土基礎，如果按照最小配筋率0.15%計算，每米基礎需要鋼筋面積2000mm×1000mm×0.15%×100%=3000mm2，選配鋼筋B22@125。根據計算這些鋼筋在混凝土里并不受力，那么這個設備基礎是否需要這么高的鋼筋用量呢？如果想規避規范中最小配筋率的要求，首先要在規范使用條件上分析：《混規》9.5.2條是針對混凝土板提出的要求，低壓氮壓機基礎長6.8m、寬3.7m、高2.0m，寬高比達到1.85，這跟板的概念是有出入的——當兩個方向的尺寸遠遠大于一個方向的尺寸時稱之為板。因此，我們不需要按照0.15%的最小配筋率設計低壓氮壓機基礎。只需按照《動力規范》4.2.2.2，在基礎的頂面、底面以及四周配置B14@200的構造鋼筋。

4.2.2 基礎的中間面配筋：《基礎規范》8.4.9中，當筏板的厚度大于2m時，宜在板厚中間部位設置直徑不小于12mm、間距不大于300mm的雙向鋼筋網。

從板的受力狀況看，在板的中面配置鋼筋，對板的抗彎、抗剪等幫助不大。至于溫度伸縮方面，基礎板埋置土中，基本上不受外界氣候變化的影響，所以也無需為此配筋。有人認為，厚板可能分層澆搗，因此，板的中面加一層鋼筋會有好處。但是，第一，在出圖時并不知道施工單位的做法；第二，即使分兩層澆搗，在中面加一層粗鋼筋網，對于防止收縮裂縫并無好處。新的北京地基規范規定不設此種鋼筋，或許正是出于此種考慮。

舉幾個工程實例，南京新街口百貨商場62層，基礎板厚3m；上海金茂大廈88層，基礎板厚4m；臺北地鐵車站，基礎板厚5m。這3個工程的基礎板的中面都未設置鋼筋，建成至今皆無問題。

4.3 其它需要注意的問題

4.3.1 設備基礎，特別是動力設備基礎，宜采用柔性材料與周圍地面隔開，防止因設備振動導致地面開裂甚至危及周圍建筑結構的安全。

4.3.2 大塊體的設備基礎在選材的時候要考慮大體積混凝土施工的裂縫控制問題，盡量選用強度等級低、低水化熱水泥配制的混凝土。鋼筋面積相同時，宜選用小直徑小間距的配筋方式。

4.3.3 很多設備基礎需要預留地腳螺栓孔，孔的大小除滿足工藝要求和結構設計規范外，還應設計的方便施工，宜采用右圖的形式，方便二次灌漿材料的灌入。

5 結語

既滿足工藝設備要求又符合結構設計規范的設備基礎才是合格的設備基礎，滿足了工藝和土建要求又經濟實用的設備基礎才是優良的設備基礎，滿足了以上要求，還要方便施工的設備基礎才是優秀的設備基礎，看似簡單的設備基礎設計其實并不簡單。設備基礎的設計沒有專門的設計規范，所以要參照其他相關規范、規程執行，在參照的過程中，要通過計算、分析、篩選，有理有據的擇其善者而從之。

參考文獻：

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