某重型鋼結構工業廠房基礎設計

林振楊

（中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601）

1 工程概況

某科技公司裝備產業園項目中，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、第三跨大吊車下設置80～100 t 的半門吊，車間屋頂設有荷載較大的除塵罩及除塵管道設施。屋面及墻面采用彩色保溫壓型鋼板圍護結構。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 設計基本數據

本項目抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為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。考慮到廠房的重要程度，按百年一遇確定基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為A 類。基本雪壓為0.35 kN/m2。屋面設計活荷載為0.5 kN/m2。吊車工作級別為A6-A7。

項目巖土工程勘察報告顯示，擬建場地地表被第四紀河流沖積及海陸交互相沉積物所覆蓋，以黏性土、粉土、粉細砂為主，局部分布有軟土地層。地貌特征表現為河流沖積平原，且微地貌發育。該場區地貌單元屬于第四紀黃河三角洲沖積平原。土層分層比較規律，沒有較大的起伏和缺失現象。土層的分層及主要性質如表1 所示。

表1 土層分布及主要性質

3 廠房基礎設計

3.1 設計荷載的確定

車間上部結構采用PKPM 2021 版中的STS 模塊按照平面排架進行計算，在設計計算樁基數量時，應采用荷載效應的標準組合，驗算樁基承臺強度時，應采用荷載效應的基本組合[1]。根據上部結構的程序計算結果文件，基礎及柱腳設計采用的荷載標準組合效應有118 組，荷載基本組合有236 組。對每種工況進行分別驗算顯然費時費力且沒有必要，實際計算中選取Mmax、Mmin、Nmax、Nmin、Vmax、Vmin對應的工況組合進行分析計算。程序中計算出的B 軸處鋼柱的柱底內力的基本組合詳見表2。

表2 柱底部分控制荷載計算值

在計算樁基數量及承臺強度時，應考慮承臺及覆土的質量，并應根據車間的生產工藝考慮地面堆載的影響，有設備基礎布置的地方還應考慮設備基礎的影響，本車間根據工藝生產需要，地面堆載確定為5 t/m2。

3.2 樁基承臺的設計

3.2.1 基礎形式的選擇

本項目車間運行吊車噸位很大，最大吊車500 t，位于BC軸跨內，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。根據地勘報告，場地沖填土較深，填土成型復雜，未經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構特點、地基土特點、施工條件、經理合理性及當地地基處理經驗等綜合分析，本工程采用混凝土預制樁基礎。

根據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）的預應力高強度混凝土管樁（PHC）。根據基礎所處腐蝕性環境的最低要求，承臺混凝土強度等級確定為C40，保護層厚度為50 mm。

3.2.2 樁長的確定

樁長的決定因素主要是承臺的埋深及樁持力層的埋深，承臺的埋深需要根據鋼柱的插入深度、車間內設備基礎的布置、地下水位的標高、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，承臺埋深一般不小于2.5 m。重型廠房基礎頂標高一般可取為-0.5～-0.8 m，在條件許可的情況下承臺埋深可定為-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下沉至-4.7 m，局部受砂處理設備基礎布置的影響，承臺基礎底標高下沉至-10 m。承臺的底板厚度一般由抗沖切承載力確定[2]，經計算，本項目承臺厚度為700～1 500 mm。

根據地勘報告建議，選擇第10 層粉土層為樁端持力層，樁長23 m 左右（砂處理設備下沉承臺處樁長為17 m），長徑比38.3～57.5，樁尖進入持力層不小于兩倍樁徑。

3.2.3 樁位的布置

承臺下樁位的布置是本工程的一個設計難點，一方面基樁工程量占比較大，樁位布置的不合理將會給工廠帶來較大的浪費，另一方面鋼結構廠房自重輕層數少，在較大風荷載及大噸位吊車水平力作用下，柱底彎矩較大，而對應軸力卻較小，樁位布置不合理將導致樁身承受較大拉力。根據以往工程經驗，樁身受拉時，發生的工程事故概率較大，預制管樁不宜作為抗拔樁設計。樁基承受拔力時，應進行樁基抗拔承載力驗算，且基樁的抗拔承載力應通過抗拔靜載試驗確定[3]。如果考慮基樁抗拔，其設計和建造成本將相對增加。

為了控制樁基拉力，一是通過加大承臺面積和埋深來增加基礎及覆土自重，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會導致樁受壓承載力的不足，需要增加樁數，基樁和承臺的造價都會增加，所以其綜合效果有限。通過合理布置樁位常常是性價比較好的方法。基樁的布置常有3～9 樁等布置形式，本工程A 軸吊車噸位較小，實腹式鋼柱下采用3 樁承臺，B、C 軸吊車噸位較大，格構式鋼柱下采用9樁承臺。D、E、F 軸吊車噸位居中，格構式鋼柱下采用5 樁承臺，G 軸邊列柱采用4 樁承臺。鑄造車間各軸線典型樁承臺布置如圖2 所示。

圖2 鑄造車間典型樁基承臺圖

3.3 柱腳的設計

根據現行國家標準和行業規范，柱腳類型可分為外露式、外包式、埋入式和插入式。工業廠房類建筑常采用外露式和插入式。重型鋼結構廠房吊車荷載較大，柱腳彎矩太大，常規的平接式柱腳不能滿足受力需要，往往以插入式柱腳為主。插入深度的計算既要滿足截面本身的高寬比例要求，也要滿足抗震設防地區鋼柱全塑性抗彎承載力的要求。本項目除A 軸線為實腹式柱，其他軸線均為格構式柱，分別選取A、B 軸線的鋼柱柱腳進行設計驗算。

3.3.1 實腹式柱腳設計驗算

1）基本條件

等效實腹式柱截面：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Q355B，鋼筋的抗拉強度fy=335 kPa，基礎混凝土C40，混凝土軸心抗壓強度設計值fc=19.1 kPa，混凝土軸心抗壓強度標準值fck=26.8 kPa，混凝土軸心抗拉強度設計值ft=1.71 kPa，混凝土軸心抗拉強度標準值ftk=2.39 kPa，柱腳最不利內力：Nmax=1346260N，Mmax=942378000N·mm，Vmax=172620N。

2）柱腳插入深度及承臺混凝土承壓應力驗算

H 形實腹式鋼柱最大插入深度dmax為[4]：

承臺混凝土承壓應力按GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[5]中式12.7.9-1 計算：

混凝土承壓滿足規范要求。

3.3.2 格構式柱腳設計計算

1）基本條件

格構柱左肢[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Q355B，fy=335 kPa，基礎混凝土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算

格構柱受拉肢最大插入深度：

格構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 結論

1）地上結構程序計算柱底工況較多，在基礎設計計算時，可以選取Mmax、Mmin、Nmax、Nmin、Vmax、Vmin6 種工況組合進 行 分析計算。

2）重型工業廠房地面有較大的堆載和設備荷載，車間內也有重型平車運行，基礎設計應考慮地面堆載和設備荷載影響，車間內部承臺間盡量不設置地梁。

3）重型廠房柱底彎矩大、軸力相對小，樁位布置常由基樁不出現拉力控制。

4）重型廠房柱腳一般采用插入式，插入深度應根據計算確定。