钢结构安装中钢垫板面积的计算

钢结构安装中，钢柱脚采用钢垫板作支承是一种常见的做法。一般当设计未给出时，钢垫板面积即由施工单位自行计算。(钢结构工程施工及验收规范)GB50205—95规定，钢垫板面积应根据基础砼的抗压强度、柱脚底板下细石砼二次浇灌前柱底承受的荷载和地脚螺栓(锚栓)的紧固拉力计算确定。实际施工中，有些施工单位计算钢垫板面积沿用了设备基础上支承设备垫铁面积计算方法。实际计算发现，当钢柱重量较大、地脚螺栓直径较大数量较多时，计算出的钢垫面积较大，带来施工不便(垫板面积越大对基础表面平整度要求越高)。

这是本人从网上下载的一篇论文，其中谈到了钢垫板的计算问题，对大家或许有些参考价值。论文出处已经不记得了，如果存在问题，还望诸位原谅。

钢结构安装中钢垫板面积的计算

　　钢结构安装中，钢柱脚采用钢垫板作支承是一种常见的做法。一般当设计未给出时，钢垫板面积即由施工单位自行计算。《钢结构工程施工及验收规范》GB50205—95规定，钢垫板面积应根据基础混凝土的抗压强度、柱脚底板下细石混凝土二次浇灌前柱底承受的荷载和地脚螺栓（锚栓）的紧固拉力计算确定。实际施工中，有些施工单位计算钢垫板面积沿用了设备基础上支承设备垫铁面积计算方法：
　　A＝C（Q1＋Q2）／R
　　A—垫铁面积（mm2）；
　　C—安全系数（1.5~3）；
　　Q1—由于构件重量加在该垫铁组上的负荷（N）；
　　Q2—由于地脚螺栓拧紧（可采用地脚螺栓的许可抗拉强度进行计算）后所分布在垫铁组上的压力（N）；
　　R—基础或地坪混凝土的单位面积抗压强度。
　　实际计算发现，当钢柱重量较大、地脚螺栓直径较大数量较多时计算出的钢垫面积较大，带来施工不便（垫板面积越大对基础表面平整度要求越高）。
　　例如：某钢结构机械装配厂房，柱重约54t，加上屋架、托架、吊车梁及其制动系统、柱间支撑等，每柱加在垫铁组上的负荷约950kN。每柱8根直径80mm、16Mn钢地脚螺栓，共52根钢柱，基础混凝土标号C25，则：
　　取C＝2
　　Q1＝9.50×105N
　　Q2＝8×44.44×100×180N
　　R＝12.5Mpa取混凝土轴心抗压强度（fc）
　　则A＝1.18×106mm2
　　若每基础8组垫铁，则每组面积1.47×105mm2，垫铁可制成370mm×400mm；若每基础16组垫铁，垫铁可制成370mm×200mm。
　　从以上计算中可以看出，此工程中对垫铁面积影响最大的是Q2。那么地脚螺栓拧紧后所分布在垫铁组上的压力是否能达到以上计算所得到的数值呢？
　　我们可作以下计算，参照高强螺栓施工扭矩计算公式：
　　Tc＝K×Pc×d
　　Tc—施工扭矩（N·m）；
　　K—扭矩系数平均值；
　　Pc—此处为螺栓拧紧后所分布在垫铁组上的压力，也即Q2；
　　d—螺杆直径（mm）；
　　其中，Tc：按3~4人用2m扳手，可取Tc＝500×4×2N·m
　　K：尚无此种螺栓扭矩系数试验数据，但考虑到地脚螺栓制造精度、保存方法等因素，且此螺栓为切削法制造，早期国内试用高强螺栓时曾采用切削法制造高强螺栓，其扭矩系数仅可达到0.2，估计此地脚螺栓扭矩系数大于0.2，计算中取0.15，偏于安全。
　　则：Q2＝8×Tc／（K×d）＝2.67×106N
　　Q2值不足原算法一半。
　　应注意到，Q2值采用地脚螺栓许可抗拉强度进行计算时，一般不必考虑风荷载的影响。因为螺栓拧紧所分布在垫铁组上压力与风荷载产生的垫铁组所受压力，只考虑两者中大的即可。当采用地脚螺栓许可抗拉强度进行计算时，螺栓拧紧所分布在垫铁上的压力必然大。但当用扭矩系数进行计算时，可能出现风荷载所造成压力大于拧紧产生的压力的情况。
　　此例经偏于安全的适当简化，风荷载造成每组垫铁上的压力（以8组垫铁计）＜600kN（计算过程省略）＜Q2，加之安装过程较短且通常选择无大风时进行，故一般均可不考虑风荷载的影响。
　　另外，原公式未考虑混凝土受局压的有利影响，此处加以考虑。混凝土局部受压时的强度提高系数：β＝√Ab／A1
　　同时，Q1、Q2应乘以1.2的荷载效应分项系数，则
　　A＝1.2C（Q1＋Q2）／fc
　　A＝2×1.2×（9.50×105＋2.67×106）N／（1.732×12.5MPa）＝4.01×105mm2
　　每组垫铁面积（分8组）5.02×104mm2，可取垫铁八组，根据局部受压面积与计算底面积同心对称的原则进行验算，如图：
　　此例中C＞2b即可。实际计算中应根据垫铁摆放位置等具体情况，先假定计算底面积与局部受压面积比值（此例取3），计算出垫铁面积和尺寸后，根据所计算底面积和局部受压面积比值进行验算。如不能满足同心对称的原则（即相邻垫铁计算底面积重叠），则应根据计算结果减少计算底面积与受压面积比值重新计算。此例经验算满足同心对称原则。
　　原计算方法需钢板24t，重新计算后需钢板8.3t。
　　综上所述，钢垫板面积公式可采用下式：
　　A＝1.2C（Q1＋Q2）／fc
　　A—垫铁面积（mm2）；
　　C—安全系数（1.5~3）；
　　Q1—由于构件重量加在该垫铁组上的负荷（N），构件重量包括安装中绑或焊在构件上的装备（梯子等）及施工人员重量。
　　Q＝Kd／nT
　　n—螺栓数目；
　　T—施工扭矩（N·m）；
　　K—扭矩系数平均值（可取0.15）；
　　d—螺杆直径（mm）；
　　β＝√Ab／A1
　　β—混凝土局部受压时的强度提高系数；
　　A1—混凝土局部受压面积；
　　Ab—局部受压时的计算面积；
　　fc—混凝土轴心抗压强度设计值。
　　实际应用中可根据具体情况选取安全系数。在某装配厂厂房设计过程中，我们修改了施工单位所提出的垫铁面积，减少了施工难度并节约10万余元。