轻型钢结构房屋柱基设计的探讨

工程设计

轻型钢结构房屋柱基设计的探讨

杨凤第 周永麟

(新疆光正钢结构工程技术公司 乌鲁木齐 830026)

潘国立

(天津市建设工程监理公司 天津 300052)

摘 要 为使柱底板与混凝土基础之间的调整空隙用无收缩砂浆填充密实,针对工程实际,提出处理调整空隙时对材料、施工、监理的要求,以保证工程安全。对规程中抗剪键的设置不够具体等问题,提出抗剪键的设置建议及计算公式。

关键词 轻型钢结构 柱基 不收缩砂浆 密实 抗剪键

EXPLORATIONOFDESIGNOFCOLUMNBASEFORBUILDINGWITH

LIGHTSTEELSTRUCTURES

YangFengdi ZhouYonglin

(XinjiangGuangzhengSteelStructureEngineeringCompany Urumqi 830026)

PanGuoli

(TianjinConstructionEngineeringSupervisionCompany Tianjin 300052)

ABSTRACT Therequirementsformaterials,constructionandsupervisionareproposedwhentheadjustedvoidsaretreatedinorderthatunshrinkablemortarisusedtofilltheadjustedvoidsbetweencoluumbaseplateandconcretefoundation,soastoensurethesafetyofaproject.Thesuggestionsonerectingashearkeyanditsformulaarealsoproposedinviewofthefactthattherearenospecificmethodsforerectingtheshearkeysintheregulations.KEYWORDS lightsteelstructure columnbase unshrinkablemortar compaction shearkey

对于建筑物,基础的安全是保证建筑物安全的核心,所以对建筑物基础的设计、施工、监理都应引起足够的重视。然而对轻型钢结构房屋柱基的现场处理存在影响结构安全的地方,尤其是柱底板和基础顶面之间的空隙处理及柱脚抗剪键的设计,有的工程不甚合理,在新疆地区较为突出,愿与业内人士共同探讨。

图1 调整螺母和预留空隙

1 构造要求

轻型钢结构房屋及高层钢结构建筑的基础处理,有一个共同的技术要求:必须严格控制柱基标高,以保证上部结构标高的准确性,使其结构的安装误差满足规范要求。可是对同一建筑物,混凝土基础顶标高施工验收标准的允许误差远远大于钢结构施工验收标准允许误差,两种不同材料,不同施工工艺的结构形式,统一在同一建筑物上,于是产生了验收标准在同一建筑物上的冲突。为解决这一冲突,5高层民用建筑钢结构技术规程6(JGJ99-98)中第111216条规定:可采用在柱底板下留有一定空隙,在底板下的地脚螺栓上加一调整螺母的方法精确控制底板标高,如图1所示。

5门式钢架轻型房屋钢结构技术规程6(

CECS102B2002)第81215条中规定:在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间,柱脚铰接时不宜大于50mm,柱脚刚接时不宜大于100mm,可用调整螺母对柱脚底板的水平度及标高进行精确调整。规定解决了两种验收标准在同一建筑物上的冲突。2 材料及工艺要求

用螺母调整柱底板标高及柱垂直度在现有工程中已广泛应用,然而在操作过程中有些工程却忽略了柱底板下预留空隙二次灌浆的材料和密实度,给整体结构带来了极大的隐患,在/规程0(JGJ99-第一作者:杨凤第 男 1938年7月出生 教授级高工收稿日期:2005-01-20

杨凤第,等:轻型钢结构房屋柱基设计的探讨

98)第111216条的说明中明确规定:柱子底板下预留的空隙宜用不收缩砂浆以捻浆法填实。/规程0(CECS102:2002)第712118条规定:锚栓的直径不宜小于24mm,且应采用双螺帽;第81215条规定:应对柱脚底板与基础顶面之间空隙采用灌浆料填实。其目的是灌浆前保证螺栓有必要的稳定性,灌浆后将混凝土基础与柱底板形成有效传递轴力、剪力、弯矩(柱脚刚接时)的结构整体。

为满足规程要求,保证结构安全,材料必须是无收缩砂浆,采用特种膨胀水泥配制,或用配制好的具有膨胀性的二次灌浆料。其施工方法有两种:一种是干硬性砂浆用捻浆法;一种是流动性砂浆用灌浆法。两种施工方法都要求柱脚底板与混凝土基础顶面之间必须填实,不留空隙,也不应在砂浆硬化过程中因收缩而产生空隙。灌浆时,应采用流动性较好的浆料,此时需将边板封闭后再由灌浆孔灌浆,因此需在底板中部适当部位预留灌浆孔;捻浆法应采用专用工具,以保证填充密实。3 工程施工现状

虽然规程中对填实柱底板和混凝土基础之间空隙提出了施工方法和材料要求,可是在大量工程调查中发现,有许多工程未按照规程要求施工,柱底板下仅留有50mm调整空隙,通过调整螺母保证了柱底板的标高及柱子垂直度,对所留空隙填充的密实度与规程要求相差太远,只是用比基础混凝土强度等级高一级的普通细石混凝土填垫,其施工方法是用木质方棒向50mm空隙内拨捣,有的是做厂房地面施工时填垫,所用材料就是做地面的普通混凝土。

一般高层钢结构柱底板下的空隙施工时控制严格;门式钢架轻型钢结构房屋柱底板下空隙,只有极少数工程使用膨胀水泥配制的无收缩砂浆填实,大多数工程使用普通砂浆填实,很难保证空隙填充砂浆的密实度,更甚者是在底板的边缘填充,中间是空的,所有轴力全由调整螺母承担,柱底板和基础混凝土面没有接触或接触面甚小,或因混凝土收缩柱底板和基础混凝土之间产生间隙,柱底板和基础混凝土之间摩擦力几乎为零。当地震作用时,水平剪力全由地脚螺栓承担,很可能被剪断,造成因螺栓剪断后柱根位移而导致建筑物倒塌,应引起设计、施工、监理单位的重视。4 组织措施

保证工程质量是设计、施工、监理三方配合的结

果,首先是设计施工图应详尽说明二次灌浆的材料要求,必须是不收缩砂浆,施工方法必须用捻浆法或灌浆法,必须保证密实度;施工公司要按规程及设计

要求认真施工,用灌浆设备确保密实度,尤其是柱底板尺寸较大时,不用灌浆法无法灌实,柱底板下会出现空洞,给结构造成极大隐患;监理要学习有关规程,明白柱底板下空隙灌实的重要性并作为重点部位监理,按隐蔽工程专项验收,监督施工单位所用材料和工艺。

柱底板下二次灌浆工程量不大,是设计、施工、监理容易忽略的部位,密实度也无法检查,设计、施工、监理单位必须共同负责,确保工程质量。5 建 议

在/规程0(JGJ99-98)和/规程0(CECS102B2002)修订时将二次灌浆的材料和施工要求列入强制性条文,同时规程中应增加灌浆时间。当主刚架及檩条安装完毕,安装屋面板及墙面板之前灌浆为宜,保证结构在未受风载和雪载之前灌完。

同时建议单层轻钢结构当柱底板长边小于和等于600mm时,二次灌浆的空隙仍应执行/规程0(CECS102B2002)中第81215条中规定,封闭三边留一长边,用比基础混凝土强度高一级的干硬性膨胀细石混凝土从长边向里捣实,当长边大于600mm时应严格按照规程要求施工。6 抗剪键的设置与要求

在风荷载较大或抗震设防烈度较高地区,其基底水平剪力较大,往往需要在柱底板下加抗剪键,以弥补柱底板与混凝土间摩擦力的不足。如何设置抗剪键在/规程0(CECS102B2002)第712120条仅规定水平剪力可由柱底板与混凝土间的摩擦力或设置抗剪键承受。在条文说明中要求抗剪键采用在刚架平面方向截面刚度较大的工字钢等垂直焊接在柱底板的底面,其截面和连接焊缝的抗剪能力应进行计算。若抗剪键较长,须在基础表面做坑以便安装时将其插入,然后进行二次灌浆。

规程中对抗剪键承受的剪力是全部基底剪力还是部分基底剪力以及抗剪键截面和连接焊缝的抗剪能力如何计算没有明确规定。大多数设计程序也没有抗剪键的设计模块,有的程序只提到要加抗剪键,但没有给出抗剪键的截面和焊缝长度,现有工程中抗剪键的设置有的不尽合理,如某工程柱底板下空隙仅50mm,柱底板尺寸600mm@1150mm,抗剪键

工程设计

为[8,L=200mm垂直柱底板放置,导致在基础表面做坑(如图2),基础顶面上的坑内插入一槽钢,无法清除坑内杂物,也无法检验插入槽钢的坑内是否灌浆,更无法检验是否密实,如不密实不但抗剪键起不到任何作用,反而削弱了基础截面。所以,一般不

要在基础表面做坑将抗剪键插入。

抗剪键常用形式的抗剪截面计算公式供参考。

a1双面焊缝单受剪面,如图3所示。t\

maxmax015Lwf

v

图3 角钢钢板抗剪键

b1双面焊缝双受剪面,如图4

所示。

图2 基础顶面预留坑

图4 槽钢抗剪键

抗剪键起作用是建立在柱底板下的空隙灌浆密实的基础上,密实是二次灌浆与混凝土基础及柱底板共同工作的前提,因此,抗剪键的作用除抗剪键本身的截面和焊缝高度与长度外,还取决于灌浆的密实度。

抗剪键常用工字钢、槽钢、角钢、钢板,长度方向平行柱底板放置为宜,同样材料平行柱底板放置与垂直柱底板放置相比可具有较大抗剪截面和较长的抗剪焊缝,还可避免在基础上做坑。柱底板下的灌浆空隙以满足抗剪键不与基础表面接触,留有一定空隙,使柱底标高有调整余量为准,确保抗剪键起作用,保证工程安全。

Qmax-Nmax@014

Lwfv

式中 Qmax)))最不利组合时柱根最大剪力;

t\

Nmax)))最不利组合时柱根最大轴力; Lw)))抗剪键正面角焊缝总长度; hf)))焊脚尺寸;

fwf)))角焊缝强度设计值; fv)))钢材的抗剪强度设计值; t)))钢板或角肢抗剪面厚度;

Bf)))正面角焊缝的强度设计值增大系

数,可取Bf=1122。

8 结 语

7 抗剪键计算

关于抗剪键的计算,当所用程序没有抗剪键模块时,应单独验算。

1)抗剪键设置

当Qmax\Nmax@014时需要设置抗剪键2)抗剪键正面角焊缝总长度

Qmax-Nmax@014

+40,mm

0.7hfffBf

3)抗剪键的抗剪截面的确定

抗剪键依据承受的剪力值常用工字钢、槽钢、角

Lw\

钢、钢板做抗剪键,因置方向的不同使得抗剪截面不同,可根据具体构造进行抗剪截面的设计。现提供

以上涉及的内容只是在调查与工作中所遇到的,不甚全面,尤其是所提建议和计算内容,可能有

不妥之处,愿与业内人士共同探讨,以期达到提高轻钢房屋工程质量的目的。

参考文献

1 CECS102B2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程2 JGJ99-98 高层民用建筑钢结构技术规程3 GB50017-2003 钢结构设计规范

4 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范

5 杨凤第,裴虎林,张琥,等1轻型钢结构房屋设计的几点建议,钢

结构,2002(2)

6 杨凤第,周永麟,杨桦,等1轻型钢结构房屋设计问题的探讨,钢

结构,2004(5)

热烈庆祝中冶集团建筑研究总院建院五十周年!

工程设计

轻型钢结构房屋柱基设计的探讨

杨凤第 周永麟

(新疆光正钢结构工程技术公司 乌鲁木齐 830026)

潘国立

(天津市建设工程监理公司 天津 300052)

摘 要 为使柱底板与混凝土基础之间的调整空隙用无收缩砂浆填充密实,针对工程实际,提出处理调整空隙时对材料、施工、监理的要求,以保证工程安全。对规程中抗剪键的设置不够具体等问题,提出抗剪键的设置建议及计算公式。

关键词 轻型钢结构 柱基 不收缩砂浆 密实 抗剪键

EXPLORATIONOFDESIGNOFCOLUMNBASEFORBUILDINGWITH

LIGHTSTEELSTRUCTURES

YangFengdi ZhouYonglin

(XinjiangGuangzhengSteelStructureEngineeringCompany Urumqi 830026)

PanGuoli

(TianjinConstructionEngineeringSupervisionCompany Tianjin 300052)

ABSTRACT Therequirementsformaterials,constructionandsupervisionareproposedwhentheadjustedvoidsaretreatedinorderthatunshrinkablemortarisusedtofilltheadjustedvoidsbetweencoluumbaseplateandconcretefoundation,soastoensurethesafetyofaproject.Thesuggestionsonerectingashearkeyanditsformulaarealsoproposedinviewofthefactthattherearenospecificmethodsforerectingtheshearkeysintheregulations.KEYWORDS lightsteelstructure columnbase unshrinkablemortar compaction shearkey

对于建筑物,基础的安全是保证建筑物安全的核心,所以对建筑物基础的设计、施工、监理都应引起足够的重视。然而对轻型钢结构房屋柱基的现场处理存在影响结构安全的地方,尤其是柱底板和基础顶面之间的空隙处理及柱脚抗剪键的设计,有的工程不甚合理,在新疆地区较为突出,愿与业内人士共同探讨。

图1 调整螺母和预留空隙

1 构造要求

轻型钢结构房屋及高层钢结构建筑的基础处理,有一个共同的技术要求:必须严格控制柱基标高,以保证上部结构标高的准确性,使其结构的安装误差满足规范要求。可是对同一建筑物,混凝土基础顶标高施工验收标准的允许误差远远大于钢结构施工验收标准允许误差,两种不同材料,不同施工工艺的结构形式,统一在同一建筑物上,于是产生了验收标准在同一建筑物上的冲突。为解决这一冲突,5高层民用建筑钢结构技术规程6(JGJ99-98)中第111216条规定:可采用在柱底板下留有一定空隙,在底板下的地脚螺栓上加一调整螺母的方法精确控制底板标高,如图1所示。

5门式钢架轻型房屋钢结构技术规程6(

CECS102B2002)第81215条中规定:在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间,柱脚铰接时不宜大于50mm,柱脚刚接时不宜大于100mm,可用调整螺母对柱脚底板的水平度及标高进行精确调整。规定解决了两种验收标准在同一建筑物上的冲突。2 材料及工艺要求

用螺母调整柱底板标高及柱垂直度在现有工程中已广泛应用,然而在操作过程中有些工程却忽略了柱底板下预留空隙二次灌浆的材料和密实度,给整体结构带来了极大的隐患,在/规程0(JGJ99-第一作者:杨凤第 男 1938年7月出生 教授级高工收稿日期:2005-01-20

杨凤第,等:轻型钢结构房屋柱基设计的探讨

98)第111216条的说明中明确规定:柱子底板下预留的空隙宜用不收缩砂浆以捻浆法填实。/规程0(CECS102:2002)第712118条规定:锚栓的直径不宜小于24mm,且应采用双螺帽;第81215条规定:应对柱脚底板与基础顶面之间空隙采用灌浆料填实。其目的是灌浆前保证螺栓有必要的稳定性,灌浆后将混凝土基础与柱底板形成有效传递轴力、剪力、弯矩(柱脚刚接时)的结构整体。

为满足规程要求,保证结构安全,材料必须是无收缩砂浆,采用特种膨胀水泥配制,或用配制好的具有膨胀性的二次灌浆料。其施工方法有两种:一种是干硬性砂浆用捻浆法;一种是流动性砂浆用灌浆法。两种施工方法都要求柱脚底板与混凝土基础顶面之间必须填实,不留空隙,也不应在砂浆硬化过程中因收缩而产生空隙。灌浆时,应采用流动性较好的浆料,此时需将边板封闭后再由灌浆孔灌浆,因此需在底板中部适当部位预留灌浆孔;捻浆法应采用专用工具,以保证填充密实。3 工程施工现状

虽然规程中对填实柱底板和混凝土基础之间空隙提出了施工方法和材料要求,可是在大量工程调查中发现,有许多工程未按照规程要求施工,柱底板下仅留有50mm调整空隙,通过调整螺母保证了柱底板的标高及柱子垂直度,对所留空隙填充的密实度与规程要求相差太远,只是用比基础混凝土强度等级高一级的普通细石混凝土填垫,其施工方法是用木质方棒向50mm空隙内拨捣,有的是做厂房地面施工时填垫,所用材料就是做地面的普通混凝土。

一般高层钢结构柱底板下的空隙施工时控制严格;门式钢架轻型钢结构房屋柱底板下空隙,只有极少数工程使用膨胀水泥配制的无收缩砂浆填实,大多数工程使用普通砂浆填实,很难保证空隙填充砂浆的密实度,更甚者是在底板的边缘填充,中间是空的,所有轴力全由调整螺母承担,柱底板和基础混凝土面没有接触或接触面甚小,或因混凝土收缩柱底板和基础混凝土之间产生间隙,柱底板和基础混凝土之间摩擦力几乎为零。当地震作用时,水平剪力全由地脚螺栓承担,很可能被剪断,造成因螺栓剪断后柱根位移而导致建筑物倒塌,应引起设计、施工、监理单位的重视。4 组织措施

保证工程质量是设计、施工、监理三方配合的结

果,首先是设计施工图应详尽说明二次灌浆的材料要求,必须是不收缩砂浆,施工方法必须用捻浆法或灌浆法,必须保证密实度;施工公司要按规程及设计

要求认真施工,用灌浆设备确保密实度,尤其是柱底板尺寸较大时,不用灌浆法无法灌实,柱底板下会出现空洞,给结构造成极大隐患;监理要学习有关规程,明白柱底板下空隙灌实的重要性并作为重点部位监理,按隐蔽工程专项验收,监督施工单位所用材料和工艺。

柱底板下二次灌浆工程量不大,是设计、施工、监理容易忽略的部位,密实度也无法检查,设计、施工、监理单位必须共同负责,确保工程质量。5 建 议

在/规程0(JGJ99-98)和/规程0(CECS102B2002)修订时将二次灌浆的材料和施工要求列入强制性条文,同时规程中应增加灌浆时间。当主刚架及檩条安装完毕,安装屋面板及墙面板之前灌浆为宜,保证结构在未受风载和雪载之前灌完。

同时建议单层轻钢结构当柱底板长边小于和等于600mm时,二次灌浆的空隙仍应执行/规程0(CECS102B2002)中第81215条中规定,封闭三边留一长边,用比基础混凝土强度高一级的干硬性膨胀细石混凝土从长边向里捣实,当长边大于600mm时应严格按照规程要求施工。6 抗剪键的设置与要求

在风荷载较大或抗震设防烈度较高地区,其基底水平剪力较大,往往需要在柱底板下加抗剪键,以弥补柱底板与混凝土间摩擦力的不足。如何设置抗剪键在/规程0(CECS102B2002)第712120条仅规定水平剪力可由柱底板与混凝土间的摩擦力或设置抗剪键承受。在条文说明中要求抗剪键采用在刚架平面方向截面刚度较大的工字钢等垂直焊接在柱底板的底面,其截面和连接焊缝的抗剪能力应进行计算。若抗剪键较长,须在基础表面做坑以便安装时将其插入,然后进行二次灌浆。

规程中对抗剪键承受的剪力是全部基底剪力还是部分基底剪力以及抗剪键截面和连接焊缝的抗剪能力如何计算没有明确规定。大多数设计程序也没有抗剪键的设计模块,有的程序只提到要加抗剪键,但没有给出抗剪键的截面和焊缝长度,现有工程中抗剪键的设置有的不尽合理,如某工程柱底板下空隙仅50mm,柱底板尺寸600mm@1150mm,抗剪键

工程设计

为[8,L=200mm垂直柱底板放置,导致在基础表面做坑(如图2),基础顶面上的坑内插入一槽钢,无法清除坑内杂物,也无法检验插入槽钢的坑内是否灌浆,更无法检验是否密实,如不密实不但抗剪键起不到任何作用,反而削弱了基础截面。所以,一般不

要在基础表面做坑将抗剪键插入。

抗剪键常用形式的抗剪截面计算公式供参考。

a1双面焊缝单受剪面,如图3所示。t\

maxmax015Lwf

v

图3 角钢钢板抗剪键

b1双面焊缝双受剪面,如图4

所示。

图2 基础顶面预留坑

图4 槽钢抗剪键

抗剪键起作用是建立在柱底板下的空隙灌浆密实的基础上,密实是二次灌浆与混凝土基础及柱底板共同工作的前提,因此,抗剪键的作用除抗剪键本身的截面和焊缝高度与长度外,还取决于灌浆的密实度。

抗剪键常用工字钢、槽钢、角钢、钢板,长度方向平行柱底板放置为宜,同样材料平行柱底板放置与垂直柱底板放置相比可具有较大抗剪截面和较长的抗剪焊缝,还可避免在基础上做坑。柱底板下的灌浆空隙以满足抗剪键不与基础表面接触,留有一定空隙,使柱底标高有调整余量为准,确保抗剪键起作用,保证工程安全。

Qmax-Nmax@014

Lwfv

式中 Qmax)))最不利组合时柱根最大剪力;

t\

Nmax)))最不利组合时柱根最大轴力; Lw)))抗剪键正面角焊缝总长度; hf)))焊脚尺寸;

fwf)))角焊缝强度设计值; fv)))钢材的抗剪强度设计值; t)))钢板或角肢抗剪面厚度;

Bf)))正面角焊缝的强度设计值增大系

数,可取Bf=1122。

8 结 语

7 抗剪键计算

关于抗剪键的计算,当所用程序没有抗剪键模块时,应单独验算。

1)抗剪键设置

当Qmax\Nmax@014时需要设置抗剪键2)抗剪键正面角焊缝总长度

Qmax-Nmax@014

+40,mm

0.7hfffBf

3)抗剪键的抗剪截面的确定

抗剪键依据承受的剪力值常用工字钢、槽钢、角

Lw\

钢、钢板做抗剪键,因置方向的不同使得抗剪截面不同,可根据具体构造进行抗剪截面的设计。现提供

以上涉及的内容只是在调查与工作中所遇到的,不甚全面,尤其是所提建议和计算内容,可能有

不妥之处,愿与业内人士共同探讨,以期达到提高轻钢房屋工程质量的目的。

参考文献

1 CECS102B2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程2 JGJ99-98 高层民用建筑钢结构技术规程3 GB50017-2003 钢结构设计规范

4 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范

5 杨凤第,裴虎林,张琥,等1轻型钢结构房屋设计的几点建议,钢

结构,2002(2)

6 杨凤第,周永麟,杨桦,等1轻型钢结构房屋设计问题的探讨,钢

结构,2004(5)

热烈庆祝中冶集团建筑研究总院建院五十周年!