门式刚架计算原理和设计实例之八(doc 29页).DOC
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1、第八章第八章 基础设计基础设计 房屋建筑设计总体上分为上部结构设计和下部结构设计两大部 分,轻型钢结构建筑也不例外,前面几章已介绍了其上部结构,本章 对其下部结构基础作一些讨论。 众所周知, 在房屋建筑中, 基础造价约占整个建筑物的 30%左右, 对于轻钢结构而言,最大优点就是重量轻,从而直接影响基础设计, 与其它结构型式的基础相比,轻钢结构基础尺寸小,可以减少整个建 筑物造价,另外对于地质条件较差地区,可优先考虑采用轻钢结构, 这样容易满足地基承载力方面的要求。 那么轻钢结构基础与砼结构基 础有什么不同?轻钢结构基础是如何设计的?在轻钢结构基础设计 时应注意哪些方面?本章针对这些问题进行探讨
2、, 而不涉及基础本身 设计的有关内容。 第一节 基础设计的特点 由于结构型式、荷载取值、支座条件等方面的不同,传至基础顶 面内力是不同的,轻钢结构与传统的砼结构相比,最大差别就是在柱 脚处存在较小的竖向力和较大的水平力,对于固接柱脚,还存在较大 的弯矩,在风荷载起控制作用的情况下,还存在较大的上拔力。柱底 水平力会使基础产生倾覆和滑移,基础受上拔力作用,在覆土较浅的 情况下,会使基础向上拔起,有关这方面的问题,后面再作详述。由 于轻钢结构的这些受力特点, 导致其基础设计与其它结构存在很大的 不同,主要表现在以下几个方面: 基础形式 基础型式选择应根据建筑物所在地工程地质情况和建筑物上部 结构型
3、式综合考虑,对于砼结构基础,常见的基础型式有独立基础、 条形基础、片筏基础、箱形基础、桩基等等,而对于轻钢结构而言, 由于柱网尺寸较大,上部结构传至柱脚的内力较小,一般以独立基础 为主,若地质条件较差,可考虑采用条形基础,遇到暗浜等不良地质 情况,可考虑采用桩基础,一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。 柱脚受力 (a) 铰接柱脚 (b) 刚接柱脚 图 8-1 不同柱脚型式的受力情况 砼结构柱脚均为刚接,即同时存在轴向力 N、水平剪力 V 和弯矩 M, 故基础尺寸较大, 轻钢结构常见的柱脚型式有刚接和铰接两种 (图 8-1) ,其受力是不同的,对于铰接柱脚, 只存在轴向力 N 和水平力 V,对于
4、刚接柱脚,除存在轴向力 N 和水平 力 V 之外,还存在一定的弯矩 M,从而使刚接柱脚的基础大于铰接柱 脚。 基础破坏形式 要正确进行基础设计,首先要知道基础破坏形式,对其工作原理 有所了解。 对于砼结构,通常柱网尺寸较小,故柱底水平力相对较小,基础一般 不会产生滑移现象,又由于上部结构自重很大,足以抵抗风荷载作用 下产生的上拔力,故基础也不会产生上拔的可能,对于这种结构,基 础主要发生冲切、剪切破坏;而轻钢结构则不同,基础除发生冲切、 剪切破坏之外,由于存在较大的水平力,对于固接柱脚,还存在较大 的弯矩作用,从而导致基础产生倾覆和滑移破坏,另外,在风荷载较 大的情况下,特别对于一些敞开或半敞
5、开的结构,由于轻钢结构自重 很轻,有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力,导致基础上拔破坏。 为防止这些破坏的发生,最经济有效的方法是增加基础埋深,即增加 基础上覆土的厚度,但增加了土方开挖和回填工程量。另外对于轻钢 结构基础,还须预埋锚栓(也称地脚螺栓) ,用于上部结构和基础的 连接,若锚栓离砼基础边缘太近,会产生基础劈裂破坏,所以我国钢 结构设计规范规定了锚栓离砼基础边缘的距离不得小于 150mm;若锚 栓长度过短,会使锚栓从基础中拔出,导致破坏,所以规范也规定了 锚栓埋入长度。 基础设计内容 基础设计一般包括基础底面积确定、基础高度确定和配筋计算, 还应符合有关构造措施。基础底面积可根据地基
6、承载力确定,同时还 应考虑软弱下卧层存在;基础高度由冲切验算确定;在基础底面积和 高度确定的情况下计算基础配筋,这里须注意伸缩缝双柱基础处理, 双柱为基础提供了两个支点, 在地基反力作用下, 有可能出现负弯矩, 即基础上部受拉的情况,此时除基础底部配置钢筋外,基础上部也应 配筋,避免因上部受拉而出现开裂现象。轻钢结构基础除上述内容以 外,还须进行柱底板设计和锚栓设计,至于这两部分设计归于上部结 构还是下部结构,也存在一些争议,柱底板尺寸是根据柱与基础连接 部位砼的局部承压来确定的,与基础砼参数有关,但其制作又与上部 结构连在一起,按照常规柱底板设计归入上部结构;锚栓在上部结构 和基础之间起桥梁
7、作用,但基础施工时应将锚栓埋入,故属于基础部 分。本章避开这个问题,就锚栓和底板设计分别进行讨论。 与上部结构连接 基础与上部结构是二次施工完成的,其间存在连接问题。对于砼 结构的基础,通过预留插筋的方式连接上部结构(图 8-2a),而对于 轻钢结构基础,则通过预埋锚栓的方式进行连接(图 8-2b) 。 (a) 砼柱基础预留插筋 (b) 钢柱基础 预留锚栓 图 8-2 基础与上部结构的连接 有关构造措施 除上述提到的几个方面之外, 轻钢结构还有一些构造措施有别于 其它结构的基础,比如基础顶面须设置二次浇灌层;埋入式柱脚应在 钢柱埋入部分设置栓钉;埋入式柱脚钢柱翼缘保护层厚度,对于中柱 不小于
8、180mm,对于边柱和角柱的外侧不宜小于 250mm,具体详见 有关构造手册。 第二节 基础设计的特殊处理措施 由于轻钢结构的特殊性,使其基础设计也与一般结构不同,下面 从几个方面加以讨论。 一、刚接和铰接柱脚 前面已提到过,能抵抗弯矩作用的柱脚称为刚接柱脚,相反不能 抵抗弯矩作用的柱脚称为铰接柱脚, 刚接与铰接的区别在于是否能传 递弯矩,在实际工程中,绝对刚接或绝对铰接都是不可能的,确切地 说应该是一种半刚接半铰接状态,为计算方便,只能根据实际构造把 (a) 铰接(一) (b) 铰接(二) (c)刚接(一) (d)刚接(二) 图 8-3 几种常见的柱脚型式 柱脚看成接近刚接或铰接。刚接或铰接
9、柱脚关键取决于锚栓布置,铰 接柱脚一般采用两个锚栓(图 8-3a),以保证其充分转动,但有时考 虑锚栓质量问题,若一个锚栓质量不保证,会对整个结构受力产生较 大影响,所以为安全起见,也可布置四个锚栓(图 8-3b),但锚栓尽 量接近,以保证柱脚转动。刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连 接(图 8-3c),图中采用六个锚栓,可以认为柱脚不能转动,前面讲 的几种柱脚均为锚板式柱脚,构造简单,是工程上常用的柱脚型式, 另外还有一种柱脚型式,即靴梁式柱脚(图 8-3d),这种柱脚可看成 固接柱脚,由于柱脚有一定高度,使其刚度较好,能起到抵抗弯矩的 作用, 但这种柱脚制作麻烦, 耗工耗材, 逐渐被其它
10、柱脚型式所代替。 下面再介绍工程上比较常用的固接柱脚, 即包裹式柱脚(图8-4), 这种柱脚既节省钢材又构造简单,施工方便,而且安全可靠,在受力 上保证柱脚基本不发生转动,与计算模型很吻合,是一种典型的固接 柱脚。另外还有一种插入式刚接柱脚,将钢柱直接插入混凝土内用二 次浇灌层固定, 这种柱脚近年来被北京钢铁设计研究总院等单位研究 成功, 已在多项单层工业厂房中应用, 效果良好, 并不影响安装调整。 图 8-4 包裹式柱脚 上面讨论了刚接柱脚和铰接柱脚的有关构造, 计算模型应与构造 相一致, 否则会造成工程事故, 这一点作为工程设计人员需特别注意。 那么在何种情况下采用刚接柱脚或铰接柱脚?其实
11、这两种柱脚很明 显的区别就是对侧移控制,如果结构对侧移控制较严,则采用刚接柱 脚, 例如有吊车荷载的情况, 吊车荷载是动力荷载, 对侧移比较敏感, 而且侧移过大会造成吊车卡轨现象,此时应把柱脚设计成刚接柱脚, 但在某些特殊情况下也可设计成铰接;又如有楼层的结构,侧移过大 会使人感觉不安全,左右晃动,而且还会使楼面装修材料开裂等等, 这样结构柱脚应按固接设计。对工程上常见的门式刚架,柱脚通常设 计成铰接;对地质情况较差地区,柱脚应考虑铰接,这样传至基础的 内力仅为轴力和剪力,不存在弯矩,有利于基础设计,可以减少基础 造价。 二、锚栓 锚栓是将上部结构荷载传给基础, 在上部结构和下部结构之间起 桥
12、梁作用。锚栓主要有两个基本作用: 作为安装时临时支撑,保证钢柱定位和安装稳定性。 将柱脚底板内力传给基础。 锚栓采用 Q235 或 Q345 钢制作,分为弯钩式和锚板式两种。直径 小于 M39 的锚栓,一般为弯钩式(图 8-5a),直径大于 M39 的锚栓, 一般为锚板式(图 8-5b)。 (a) 弯钩式 (b) 锚板式 图 8-5 基础锚栓 对于铰接柱脚,锚栓直径由构造确定,一般不小于 M20;对于刚接柱 脚,锚栓直径由计算确定, 一般不小于 M30。锚栓长度由钢结构设计 手册确定,若锚栓埋入基础中长度不能满足要求,则考虑将其焊于受 力钢筋上。为方便柱安装和调整,柱底板上锚栓孔为锚栓直径的
13、1.5 倍(图 8-6a),或直接在底板上开缺口(图 8-6b)。底板上须设置垫板, 垫板尺寸一般为100100,厚度根据计算确定,垫板上开孔较锚栓直 径大 12mm,待安装、校正完毕后将垫板焊于底板上。 (a) 开圆孔 (b) 开缺 口 图 8-6 柱脚底板开孔 图 8-7 为铰接柱脚锚栓布置图,图 8-8 为刚接柱脚锚栓布置图。在图 8-7 中,从安全角度考虑,中柱两个锚栓可换成四个,但间距不能太 大,以保证铰接。 图 8-7 铰接柱脚锚栓布置图 图 8-8 刚柱脚锚栓布置图 在工程上经常会提出这样一些问题:锚栓能否抗剪?垫板是否要 与底板焊牢?在施工时锚栓是否拧紧?我国钢结构设计规范是不
14、允 许锚栓抗剪的,剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的,若不 满足要求则须设抗剪键(图 8-9) 。 (a) (b) 图 8-9 抗剪键 上海市轻钢规程规定, 采用靴梁的刚接柱脚以及考虑地震作用组合时 的外露式柱脚的锚栓不得用于传递柱脚底部的水平反力, 此水平反力 应由底板与混凝土基础顶面间的摩擦力承受,摩擦系数可取 0.4,当 水平反力大于摩擦力时,应设置抗剪键,上述情况之外,外露式柱脚 的锚栓可以传递柱脚底部的水平反力,但必须进行计算,并将垫板与 底板焊牢。后者应该更合理些,因为轻钢结构重量比较轻,摩擦系数 为 0.4 时底板和混凝土之间产生的摩擦力很小, 特别是在风吸力起控 制作用时
15、,底板与混凝土之间几乎不存在压应力,也即摩擦力几乎没 有, 如果按钢结构设计规范, 在此情况下很难满足摩擦力抗剪的条件, 很多结构须设抗剪键,但在实际工程中很少设抗剪键,也没有因此发 生工程事故,可见锚栓参与了抗剪。若锚栓抗剪,一方面锚栓须满足 强度要求,另一方面与锚栓相邻的砼不发生局部承压破坏。有人认为 锚栓应该拧紧,这样有利于传力,这种说法是不正确的,对于目前常 用的平板式柱脚,考虑锚栓传递剪力的情况,锚栓不应该拧得很紧, 这样锚栓在垫板开孔中产生微小滑动,使其与垫板孔壁接触,而垫板 又与底板焊牢,从而起到传递剪力的目的。但对于固接柱脚,为保证 弯矩传递须拧紧锚栓。 三、特殊情况下轻钢结构
16、基础 格构式柱基础 格构式柱的柱脚有整体式和分离式两种, 整体式一般用于受力较 小、两分肢间距较近时,但比较耗材,在大多数情况下采用分离式柱 脚;分离式柱脚两肢完全分开,每个肢均为轴心受力。由于两种柱脚 构造不同,造成基础设计也不同。对于整体式柱脚,由于柱脚底板是 整块的,且设置一定数量加劲肋,使柱脚形成一个整体刚度,因而作 为基础的一个支点,这样基础仅需底部配置受力筋,而上部不需配筋 (图 8-10a) ; 对于分离式柱脚,柱肢是分开的, 但其基础很难分开, 因而为基础提供了两个支点,此时在基础上部出现负弯矩,也即出现 受拉的情况,在基础配筋时须注意,应同时配置上、下部钢筋(图 8-10b)
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