談輕鋼結構的基礎設計特點

劉 濤 焦蕊蕊

(中原石油勘探局勘察設計研究院，河南濮陽 457001)

輕鋼結構是一種廣泛運用于工業與民用建筑的結構形式，其特點是施工速度快，自重輕，同時輕鋼結構的上部荷載通常較小，一般來說，輕鋼結構的基礎費用要比混凝土結構低。由于輕鋼結構的自重較小，而跨度較大，很多情況下控制因素是由風荷載等水平力來控制，因此抵抗傾覆和上拔等和普通混凝土結構物有所不同。輕鋼結構的這些受力特點，以及其連接方式，導致其基礎設計與其他結構存在一定的差異，本文就輕鋼結構物的基礎設計的特點結合現有國家規范進行簡要的分析。

1 基礎形式的選擇

常見的輕鋼結構的基礎形式多為柱下獨立基礎，并用連系梁進行連接，以提高基礎沉降的均勻性。地質條件較差的情況下可采用柱下條基，如上部結構較大或者地質情況很差，如淤泥等，可采用樁基礎，采用柱下樁基礎時，在不能設置雙向基礎拉梁時不宜采用單樁基礎。

2 柱腳傳力形式和特點

鋼筋混凝土框架結構與基礎的連接均為剛接，即有彎矩傳遞于基礎，這樣的情況下基礎的尺寸比較大，不同于混凝土的是，輕鋼結構的上部結構既可以設計成剛接，也可以設計成鉸接，同樣的一個荷載形式下，柱腳剛接與柱腳鉸接相比，通常剛接上部結構用鋼量要偏小，但基礎較大。

剛接與鉸接的區別在于柱底是否有轉動約束，即剛接柱腳可以傳遞彎矩，鉸接柱腳不能傳遞彎矩(見圖1，圖2)。這樣對剛接柱腳的基礎設計時，上部力就有軸力，剪力加彎矩，鉸接柱腳僅有軸力和剪力。剛接或鉸接柱腳關鍵取決于錨栓布置，鉸接柱腳一般采用2個或4個錨栓，且居于柱子截面以內，以保證其充分轉動，美國質量環境安全規范要求所有的鋼結構的底板必須是4個錨栓，以考慮其在施工安裝時的安全性，盡管設置在柱子截面內的2個錨栓或4個錨栓其實還是能傳遞很小一部分彎矩的，但在實際建模計算時，還是認為其是鉸接。剛接柱腳一般采用4個或4個以上錨栓連接，錨栓位置居于柱外側，并保證柱底板有必要的剛度抵抗轉動，可以認為柱腳不能轉動。

圖1 鉸接柱腳

圖2 剛接柱腳

采用何種形式的柱底板連接形式應根據不同的情況而定，剛接柱腳通常用于對結構物側移要求嚴格的，采用剛接柱腳，同樣的荷載情況下，結構的相對水平位移要比鉸接柱腳小得多，通常帶吊車廠房柱采用剛接柱腳就是基于此點，吊車荷載對側移比較敏感，側移過大，可能會導致吊車卡軌，對于某些對水平位移要求較高的建筑物，也應優先選用剛接柱腳。當然也不是絕對的，如果水平位移在計算時能滿足規范對水平位移的限制，鉸接柱腳也可以使用。對工程上常見的以圍護結構出現的門式剛架無吊車廠房，柱腳通常設計成鉸接;一般說來，同樣的一個結構，采用鉸接柱腳的基礎要比采用剛接柱腳的基礎節省材料和造價。

3 基礎典型的破壞形式

由于輕鋼結構的自重較小，跨度較大，因此其基礎的典型破壞形式和混凝土結構基礎的典型破壞形式不太一樣。

對于混凝土結構，通常柱網尺寸較小，故柱底水平力相對較小，基礎一般不會產生滑移現象，又由于上部結構自重很大，足以抵抗風荷載作用下產生的上拔力，故基礎也不會產生上拔的可能，對于這種結構，基礎主要的破壞模式是沖切破壞，即來自上部結構的向下豎向力對基礎發生的沖切作用基礎的底板因厚度不足而產生的破壞，或者是基礎底面積不足而導致的基礎沉降過大或地基的剪切破壞。但總的來說，對基礎設計的控制因素是向下的豎向力。輕鋼結構的基礎設計則不同，相對于上部結構的豎向力而言，存在一個較大的水平力(如風荷載產生的)，對于某些結構而言，如半開敞式結構，由于自重較小，而風荷載還會產生一個向上的力，這時如果結構自重不能抵消向上的風荷載，那么基礎還需要考慮上拔力的工況，同時固接柱腳情況下，還存在較大的彎矩作用。因此輕鋼結構物相對于混凝土結構物而言，由于自重輕，破壞形式更易出現傾覆、滑移和上拔的可能，其主要原因是上部結構自重小。如果設計時面臨上述問題，通常采用的做法是加大埋深，即提高基礎自身的覆土重以抵抗傾覆和上拔以及提高基礎的被動土壓力以抵抗水平力。另外對于輕鋼結構基礎，因為要有預埋螺栓用于上部結構和基礎的連接，因此保證錨栓與基礎的可靠連接，既要保證錨栓的長度使其與基礎混凝土的可靠粘結，也要保證錨栓與基礎的邊緣有一定的距離而基礎不會發生劈裂破壞。

4 基礎設計的主要內容

基礎設計一般包括根據地基承載力容許值(根據寬度和深度修正后的)和上部結構傳來的荷載(標準組合)來確定基礎底面積、通過上部結構傳來的荷載(基本組合)、基礎的高度(主要控制因素是抗沖切)和配筋計算(基底反力對基礎底板產生的彎矩)，在滿足內力的計算情況下，還要符合相關的構造措施。輕鋼結構基礎除上述內容以外，還須進行柱底板設計和錨栓設計，柱底板尺寸是根據柱與基礎連接部位混凝土的局部承壓來確定的，與基礎混凝土參數有關，但其制作又與上部結構連在一起，按照常規柱底板設計歸入上部結構;錨栓在上部結構和基礎之間起橋梁作用，但基礎施工時應將錨栓埋入，故屬于基礎部分。

錨栓是將上部結構荷載傳給基礎，在上部結構和下部結構之間起橋梁作用。錨栓主要有兩個基本作用:

1)作為安裝時臨時支撐，保證鋼柱定位和安裝穩定性。2)將柱腳底板內力傳給基礎。

對于鉸接柱腳，錨栓直徑由構造確定，一般不小于M20;對于剛接柱腳，錨栓直徑由計算確定，一般不小于M30。錨栓長度由鋼結構設計手冊確定，若錨栓埋入基礎中長度不能滿足要求，則考慮將其焊于附加鋼筋。為方便柱安裝和調整，一般柱底板上錨栓孔較錨栓直徑大3 mm～4 mm，底板上須設置墊板，墊板尺寸一般為100×100，厚度根據計算確定，墊板上開孔較錨栓直徑大1 mm～2 mm，待安裝、校正完畢后將墊板焊于底板上。

另外需要注意的是，在對基礎底板進行抗水平力設計時，我國鋼結構設計規范是不允許錨栓抗剪的，剪力是靠底板在上部向下的豎向力作用下與基礎頂面的摩擦力來傳遞的，若單靠摩擦力的作用不能抵抗水平力的情況下，要采用抗剪鍵將柱底的水平力傳遞到基礎上。抗剪鍵的設計要考慮混凝土的局部抗壓強度和抗剪鍵的截面抗彎能力。

5 與上部結構連接

基礎與上部結構是二次施工完成的，其間存在連接問題。混凝土結構的基礎是通過預留插筋的方式，留有施工縫連接上部結構的混凝土的澆筑，而對于輕鋼結構基礎，則通過預埋錨栓的方式進行連接，見圖3，圖4。

圖3 混凝土柱基礎預留插筋

圖4 鋼柱基礎預留錨栓

6 其他的構造措施

除上述提到的幾個方面之外，輕鋼結構還有一些構造措施有別于其他結構的基礎，比如基礎頂面須設置二次澆灌層，以便調平柱底板。埋入式柱腳應在鋼柱埋入部分設置栓釘;柱底板尺寸應在基礎短柱箍筋范圍內，以免局部對基礎保護層壓壞等等。

［1］鋼結構設計手冊編輯委員會.鋼結構設計手冊(下冊)［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004:141-143.