Для предотвращения осадки фундамента стального каркасного здания необходимо начинать с фундаментной плиты. Если нагрузка на стальной каркасный цех составляет более 25 кг/м², высота, ширина и глубина фундаментной плиты должны составлять 1 метр, а для стальных каркасных зданий с нагрузкой более 35 кг/м² необходимо выполнить закладной пояс и фундамент глубиной 1,2 метра. Конкретные размеры также зависят от состояния грунта.
В последние годы стальные каркасные здания благодаря своим преимуществам (легкий вес, высокая сейсмостойкость, гибкая планировка, высокая скорость монтажа) широко используются в угольной промышленности. В данной статье рассматриваются только одноэтажные стальные каркасные здания с ограждающими конструкциями из профилированного листа или сэндвич-панелей, а также стальные ферменные конструкции (далее — «стальные каркасные здания»). В стальных каркасных зданиях с большой грузоподъемностью крана, из-за малого собственного веса надземной конструкции, осевое усилие в основании колонн относительно мало, а изгибающий момент относительно велик, что приводит к большому эксцентриситету основания и создает некоторые трудности при проектировании фундамента.
1. Особенности напряженного состояния фундамента стального каркасного здания
Фундаменты стальных каркасных зданий обычно выполняются в виде отдельных фундаментов, спроектированных на эксцентрическое сжатие.
Для невысоких стальных каркасных зданий портальной рамы без крана соединение пяты колонны с фундаментом обычно проектируется как шарнирное. Верхняя поверхность фундамента воспринимает только вертикальную нагрузку от надземной конструкции и горизонтальную нагрузку от ветра. Дополнительный эксцентрический изгибающий момент, возникающий от горизонтальной ветровой нагрузки на основании, относительно мал, поэтому проектирование фундамента относительно простое.
Для высотных стальных каркасных зданий портальной рамы с мостовым краном и стальных ферменных зданий, особенно когда грузоподъемность крана велика (две машины по 20 тонн или более на одном пролете), чтобы эффективно повысить жесткость конструкции на поперечный сдвиг и ограничить поперечное смещение, пята колонны обычно проектируется как жесткое соединение в поперечном направлении и шарнирное соединение в продольном направлении. Продольные
горизонтальные нагрузки на здание передаются на верхнюю поверхность фундамента через межколонные связи. В поперечном направлении, из-за малого собственного веса стальной конструкции, длительного периода собственных колебаний, воздействие горизонтального землетрясения относительно мало, а контролирующая горизонтальная нагрузка обычно представляет собой горизонтальную тормозную нагрузку крана плюс формулу ветра, и усилия в двух стержнях могут быть неравными. Формула основана на теории упругого равновесия и применима к пересекающимся наклонным стержням одинаковой длины и сечения.
1) Пересекаемый другой стержень находится под сжатием, сечения двух стержней одинаковы, и они не прерываются в точке пересечения.
2) Пересекаемый другой стержень находится под сжатием, этот другой стержень прерывается в точке пересечения, но соединен с помощью соединительной пластины.
3) Пересекаемый другой стержень находится под растяжением, сечения двух стержней одинаковы, и они не прерываются в точке пересечения.
4) Пересекаемый другой стержень находится под растяжением, этот стержень прерывается в точке пересечения, но соединен с помощью соединительной пластины.
При применении нового стандарта автор обнаружил, что в новом стандарте на стальные конструкции появились новые правила и методы расчета; старый стандарт иногда бывает слишком консервативным, а иногда недостаточно безопасным, поэтому при проектировании необходимо идти в ногу со временем, постоянно изучать новые стандарты, чтобы создавать экономичные и безопасные проекты.
2. Основные требования к проектированию фундамента
Из-за относительно большого эксцентриситета нагрузки реакция на подошве фундамента распределяется неравномерно, что может привести к значительному наклону фундамента и даже повлиять на нормальную эксплуатацию здания, особенно здания с кранами. Поэтому давление на основание грунта под подошвой фундамента промышленного здания должно соответствовать следующим требованиям:
1) Для столбчатых фундаментов без нагрузки крана, при учете ветровой нагрузки, допускается наличие зоны нулевого напряжения на подошве фундамента, но необходимо обеспечить, чтобы отношение длины зоны ненулевого напряжения к длине фундамента L’/L ≥ 0,175, а также необходимо проверить сопротивление изгибу на стороне растяжения подошвы фундамента под действием собственного веса фундамента и веса грунта над ним.
2) Для столбчатых фундаментов, воспринимающих обычную нагрузку крана, на подошве фундамента не допускается наличие зоны нулевого напряжения, то есть pmin ≥ 0. Если это условие выполняется, необходимо обеспечить, чтобы эксцентриситет основания e ≤ b/6.
3. Общие методы проектирования фундамента
На основе вышеизложенных особенностей напряженного состояния и требований к проектированию фундамента, для крайних колонн одноэтажных стальных каркасных зданий с жестким соединением пяты колонны и значительной грузоподъемностью крана, если проектировать фундамент как обычный отдельный фундамент, эксцентриситет часто является контролирующим условием размеров подошвы фундамента, несущая способность основания не является контролирующим фактором, большой эксцентриситет приведет к слишком большим размерам подошвы фундамента (иногда сторона достигает более 6 м), что неэкономично и неприемлемо на практике. Автор, проанализировав ряд конкретных проектов, считает, что подобные проблемы в процессе проектирования могут быть решены следующими методами:
3.1. Применение эксцентричного фундамента
Если эксцентриситет подошвы фундамента невелик (обычно e ≤ 0,15 м), этот метод достаточно эффективен. Его принцип заключается в предварительном создании обратного изгибающего момента в направлении действия большого изгибающего момента для уменьшения эксцентриситета. Однако поскольку горизонтальная ветровая нагрузка и нагрузка крана на здание действуют в двух направлениях, при проектировании следует выбрать неблагоприятные комбинации в обоих направлениях и проверить и контролировать их. В настоящее время программа проектирования стальных конструкций «STS» не может проверять эксцентричные фундаменты, проектировщики могут выбрать несколько неблагоприятных комбинаций и проверить их с помощью других вспомогательных программ, таких как «Личжэн».
Эксцентричный фундамент обычно позволяет уменьшить размеры фундамента, но для кранов большой грузоподъемности и кранов класса А6～А8 этот метод следует применять с осторожностью.
3.2. Увеличение дополнительного веса фундамента
Если эксцентриситет подошвы фундамента составляет (0,15 м < e ≤ 1,12 м), этот метод достаточно эффективен. Увеличение дополнительного веса фундамента может быть достигнуто двумя способами:
1) Увеличение глубины заложения фундамента: при увеличении глубины заложения фундамента увеличивается вес грунта над фундаментом, а эксцентриситет основания уменьшается. В этом случае фундамент можно спроектировать как отдельный фундамент с короткими железобетонными колоннами, размеры сечения коротких колонн обычно определяются размерами пяты колонны, а армирование определяется расчетом. Однако при увеличении глубины заложения фундамента также увеличивается дополнительный изгибающий момент на подошве фундамента, вызванный горизонтальной сдвиговой силой пяты колонны, и эксцентриситет основания также может увеличиться. Поэтому при проектировании следует учитывать оба этих фактора, и после сравнительных расчетов следует выбрать разумную глубину заложения фундамента.
2) Нижняя часть ограждающих конструкций цеха выполнена из утяжеленных стен: стены могут быть выполнены из неглиняного клинкерного кирпича, а их вес передается на фундамент через подстенные балки. Толщина стен может составлять 370 мм, высота от верха подстенной балки до подоконника первого этажа. Для увеличения высоты стены подоконник первого этажа может быть при необходимости соответствующим образом приподнят. Подстенные балки могут быть сборными или монолитными с фундаментными столбиками, монолитные подстенные балки способствуют компенсации неравномерной осадки соседних фундаментов.
В инженерном проектировании лучшее сочетание достигается при комбинированном использовании вышеуказанных двух методов.
3.3 Использование свайного фундамента
Если эксцентриситет подошвы фундамента велик (e > 112 м), глубина залегания несущего слоя значительна, и указанные выше методы не могут решить проблему; или грузоподъемность крана цеха велика, а длительная большая площадь загрузки превышает 60 кН/м2, а грунты основания представляют собой средне- или высокосжимаемые грунты, и необходимо учитывать дополнительное влияние нагрузки на фундамент, следует использовать свайный фундамент. Тип свайного фундамента определяется в зависимости от состояния грунтов основания и местных строительных условий.