设备基础设计中应注意的问题

摘要：工厂的运转离不开大量的专业设备，设备的正常运行也离不开满足工艺要求的设备基础。随着科学技术的发展，各种工业企业的设备不断出新，对设备基础的要求也在不断变化。怎样才能设计出既满足工艺要求又节约甲方投资的设备基础是我们每个结构设计人员一直研究的问题。

关键词：设备基础 埋深 配筋 动力计算 螺栓孔 施工

1 概述

工厂的运转离不开大量的专业设备，设备的正常运行也离不开满足工艺要求的设备基础。随着科学技术的发展，各种工业企业的设备不断出新，对设备基础的要求也在不断变化。怎样才能设计出既满足工艺要求又节约甲方投资的设备基础是我们每个结构设计人员一直研究的问题，笔者对设备基础设计中遇到的问题和解决方法进行探讨，希望达到抛砖引玉的效果。

2 设计原则

任何设备基础首先都应满足生产工艺的使用要求，它必须是该设备的可靠支承，以保证设备的正常使用，同时对临近设备的正常使用不能产生影响。为了满足这个要求，设备基础应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。

3 设计条件

要做出好的设计，首先要把设备基础条件吃透：设备的荷载分布情况、动荷载情况、基础顶面模板图、顶标高、预埋件和预留孔情况等。其次要收集设备周边的资料，例如场地的地质勘查报告、基础周边建筑物、构筑物以及其它设备基础情况等。每一个条件都决定了基础的某个数据，忽略其中一项就有可能埋下重大的安全隐患。

4 设计要点

4.1 基础的埋深

4.1.1 结构构造的要求。设备基础的顶面标高由设备条件确定，底面标高则由结构专业确定。在满足地基稳定和变形要求的前提下，设备基础宜浅埋。根据《地基基础设计规范》（下面简称《基础规范》）5.1.2条，当上层地基的承载力大于下层土时，宜采用上层土作持力层。除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。根据地质勘查报告，当地下水位较高时，根据《基础规范》5.1.4条，基础宜埋置在地下水位以上，当必须埋在地下水位以下时，应采取地基土在施工时不受扰动的措施。当地质勘查报告涉及冻土厚度时，基础埋深还应考虑地基的冻胀性，根据《基础规范》附录G.0.2表算出基底下允许残留冻土层最大厚度。

4.1.2 结构计算的要求。基础的顶面标高和底面标高确定以后，基础的厚度也就确定了，因此决定基础厚度的因素也在左右着基础的底面标高。

①当剪力作为控制因素时，基础抵抗冲切破坏的有效高度h0为：

h0≥(1)

am=（at+ab）/2 (2)

Fl=pjAl(3)

式中：βhp――受冲切承载力截面高度影响系数，无量纲；

ft――混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2；

h0――基础冲切破坏锥体的有效高度，mm；

am――冲切破坏锥体最不利一侧计算长度，mm；

at――冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，mm；

ab――冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，mm；

pj――扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合的地基土单位面积净反力，N/mm2；

Al――冲切验算时取用的部分基底面积，mm2；

Fl――相应于荷载效应基本组合时作用在上的地基土净反力设计值，N。

值得一提的是受冲切承载力截面高度影响系数βhp的取值，当h不大于800mm时，βhp取1.0；当h大于等于2000mm时，βhp取0.9，其间按线性内插法取用。单从本系数的角度分析，设备基础板厚应尽量做薄，随着基础的加厚，抗冲切能力提高的幅度越来越小，当基础厚度大于2000mm时，提高的百分比甚微。

②当弯矩作为控制因素时，基础抗弯有效高度 需要通过以下公式反复试算：

MⅠ=a［（2l+a′）（pmax+p-）+（pmax-p）l］ (4)

MⅡ=（l-a′）2（2b+b′）（pmax+pmin-） (5)

As=(6)

pkmax=+(7)

pkmin=+ (8)

式中：MI、MII――任意截面I-I、II-II处相应于荷载效应基本组合时的弯矩设计值，kN/mm2；

l、b――基础底面的边长，mm；

pmax、pmin――相应于荷载效应基本组合时的基础底面边缘最大和最小地基反力设计值，kN/mm2；

p――相应于荷载效应基本组合时在任意截面I-I处基础底面地基反力设计值，kN/mm2；

G――考虑荷载分项系数的基础自重及其上的土自重，kN；

Mk――相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值，kN/mm2；

W――基础底面的地抗拒；

pkmax、pkmin――相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大、最小压力值，kN/mm2；

A――基础底面积，mm2；

③当动力荷载作为控制因素时，一般情况下，基础顶面的最大振动线位移不应大于0.20mm，最大振动速度不应大于6.3mm/s。

4.1.3 简化计算。基础重量还可以按照简化计算的方法推算：除立式压缩机以外的功率小于80kW各类压缩机基础和功率小于500kW的对称平衡式压缩机基础，当其质量大于压缩机质量的5倍，且基础底面的平均净压力值小于地基承载力设计值的1/2时，可不作动力验算。

4.2 基础的配筋：基础的尺寸基本确定以后，我们可以根据基础所受的压力，弯矩和剪力计算出基础正常使用所需要配的钢筋面积并选用钢筋。

4.2.1 基础的底面和顶面配筋：普通设备基础的配筋与柱下独立基础底板配筋一样，按照《基础规范》8.2.7-4、8.2.7-5计算弯矩，然后按照公式As=计算配筋面积，选配钢筋。但是有很多设备基础受力并不大，但是为了满足工艺要求又必须做厚，比如上面举例的仪征化纤某厂低压氮压机基础，设备自重加上基础重的地基反力为p=78.24kpa，远小于地基承载力特征值fak=200kpa；设备重量均匀分布，荷载小、基础厚，抗冲切计算需要的配筋面积也很小；设备基础不承受静力弯矩，根据弯矩计算的钢筋面积为零。所以该设备基础底板按照构造要求配筋。

按照构造要求配筋，就面临如下几条规范：

①《混凝土结构设计规范》（以下简称《混规》）9.5.1条，表9.5.1，受压构件的一侧纵向钢筋的最小配筋率为0.2%。

②《混规》9.5.2条，卧置于地基上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于0.15%。

③《动力规范》4.2.2.1，体积为20~40m3的大块式基础，应在基础顶面配置直径10mm，间距200mm的钢筋网。

④《动力规范》4.2.2.2，体积大于40m3的大块式基础，应沿四周和顶、底面配置直径10~14mm，间距200~300mm的钢筋网。

2m厚的混凝土基础，如果按照最小配筋率0.15%计算，每米基础需要钢筋面积2000mm×1000mm×0.15%×100%=3000mm2，选配钢筋B22@125。根据计算这些钢筋在混凝土里并不受力，那么这个设备基础是否需要这么高的钢筋用量呢？如果想规避规范中最小配筋率的要求，首先要在规范使用条件上分析：《混规》9.5.2条是针对混凝土板提出的要求，低压氮压机基础长6.8m、宽3.7m、高2.0m，宽高比达到1.85，这跟板的概念是有出入的――当两个方向的尺寸远远大于一个方向的尺寸时称之为板。因此，我们不需要按照0.15%的最小配筋率设计低压氮压机基础。只需按照《动力规范》4.2.2.2，在基础的顶面、底面以及四周配置B14@200的构造钢筋。

4.2.2 基础的中间面配筋：《基础规范》8.4.9中，当筏板的厚度大于2m时，宜在板厚中间部位设置直径不小于12mm、间距不大于300mm的双向钢筋网。

从板的受力状况看，在板的中面配置钢筋，对板的抗弯、抗剪等帮助不大。至于温度伸缩方面，基础板埋置土中，基本上不受外界气候变化的影响，所以也无需为此配筋。有人认为，厚板可能分层浇捣，因此，板的中面加一层钢筋会有好处。但是，第一，在出图时并不知道施工单位的做法；第二，即使分两层浇捣，在中面加一层粗钢筋网，对于防止收缩裂缝并无好处。新的北京地基规范规定不设此种钢筋，或许正是出于此种考虑。

举几个工程实例，南京新街口百货商场62层，基础板厚3m；上海金茂大厦88层，基础板厚4m；台北地铁车站，基础板厚5m。这3个工程的基础板的中面都未设置钢筋，建成至今皆无问题。

4.3 其它需要注意的问题

4.3.1 设备基础，特别是动力设备基础，宜采用柔性材料与周围地面隔开，防止因设备振动导致地面开裂甚至危及周围建筑结构的安全。

4.3.2 大块体的设备基础在选材的时候要考虑大体积混凝土施工的裂缝控制问题，尽量选用强度等级低、低水化热水泥配制的混凝土。钢筋面积相同时，宜选用小直径小间距的配筋方式。

4.3.3 很多设备基础需要预留地脚螺栓孔，孔的大小除满足工艺要求和结构设计规范外，还应设计的方便施工，宜采用右图的形式，方便二次灌浆材料的灌入。

5 结语

既满足工艺设备要求又符合结构设计规范的设备基础才是合格的设备基础，满足了工艺和土建要求又经济实用的设备基础才是优良的设备基础，满足了以上要求，还要方便施工的设备基础才是优秀的设备基础，看似简单的设备基础设计其实并不简单。设备基础的设计没有专门的设计规范，所以要参照其他相关规范、规程执行，在参照的过程中，要通过计算、分析、筛选，有理有据的择其善者而从之。

参考文献：

[1]国家标准，地基基础设计规范[S]，北京：中国建筑工业出版社，2002。

[2]国家标准，动力机器基础设计规范[S]，北京：中国计划出版社，1997.

[3]国家标准，混凝土结构设计规范[S]，北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]韩立平.纯碱工业[J]，第3期，32，2009.

[5]严霁.山西建筑[J]，第34卷，第29期，133，2008.

[6]程懋.建筑结构[J]，第39卷，第12期，155，2009.