钢结构工程中柱脚设计初论

钢结构工程中柱脚设计初论
钢结构建筑中，柱脚是必不可少的结构连接节点，其对整个结构的承载力及稳定性有着非常重要的作用，作为连接钢柱与钢筋混凝土基础或者基础梁的重要节点，其合理的受力分析和节点设计也就显得尤为必要。

柱脚按结构的内力分析，可大体分为铰接连接柱脚和刚性固定连接（刚接）柱脚两大类。

其中刚接柱脚包含外露式柱脚、埋入式柱脚及外包式柱脚。

刚接柱脚除了承受轴心压力和水平剪力外，还要承受弯矩。

对于工业厂房、多层及高层钢结构常采用刚接柱脚，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）亦仅对钢结构的刚接柱脚加以规定。

本文即针对三种钢结构刚接柱脚节点形式的受力分析及设计做以探讨。

1 外露式柱脚
外露式柱脚主要由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支承托座等组成（图1），各部分的板件都应具有足够的强度和刚度，而且相互之间应有可靠的连接。

1.1 受力分析
从力学角度看，外露式柱脚更适合作为半刚接性柱脚。

震害表明：其破坏特征是锚栓剪断、拉断或拔出。

结构设计中应考虑柱脚支座的非完全刚性连接，必要时按刚接和半刚接柱脚采用包络设计方法。

当仅采用刚接柱脚计算时，应考虑柱反弯点的下移引起的柱顶弯矩及相关构件的内力增大问题。

外露式柱脚由外露的柱脚螺栓承担钢柱底的弯矩和轴力，柱脚承载力不宜小于柱截面塑形屈服承载力的1.2倍。

底板的尺寸由基础混凝土的抗压设计强度确定，计算底板厚度时，可偏安全地取底板各区格的最大压力进行计算。

由于底板与基础之间不能承受拉应力，拉力应由锚栓来承担，当拉力过大，锚栓直径大于60mm时，可根据底板的受力实际情况，按压弯构件确定锚栓。

柱底剪力应由钢底板与其下钢筋混凝土之间的摩擦力承受（摩擦系数可取0.4）。

当水平剪力超过摩擦力时，可设置抗剪键及柱脚外包混凝土等有效抗剪措施承担。

1.2 节点构造设计
外露式柱脚底板的一般厚度不应小于柱子较厚板件的厚度，且不宜小于30mm。

当需增设加劲肋和锚栓支承托座等补强措施时，底板长度和宽度外伸尺寸，每侧不宜超过底板厚度的18 倍。

如底板尺寸较大，应在底板上开设直径80～105mm的排气孔数个，以保证二次灌浆料能紧密充满。

一般加劲肋其高度不宜小于250mm，厚度不宜小于12mm；锚栓支承托座加劲肋或锚栓加劲肋其高度不宜小于300mm，厚度不宜小于16mm。

锚栓在柱脚端弯矩作用下承受拉力，同时作为安装过程的固定之用。

其数目在垂直于弯矩作用平面的每侧不应小于2个，直径一般可在30～76mm范围内采用，且不宜小于30mm。

2 埋入式柱脚
2.1 受力分析
基于埋入式柱脚内力传递的复杂性，通常采用以下假定：轴心压力N由埋入的钢柱的柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；全部弯矩M由焊于埋入的钢柱翼缘上的抗剪圆柱头栓钉传给钢筋混凝土基础或基础梁；柱脚顶部的水平剪力V由埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土承压力来传递；不考虑埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁混凝土在承压应力状态下，由于钢柱翼缘与混凝土摩擦产生的抵抗力；不考虑埋入的钢柱翼缘与基础或基础梁混凝土的粘结作用；在确定埋入的钢柱周边对称布置的垂直纵向钢筋的面积时，不考虑钢柱承担的弯矩M。

2.2 节点构造设计
钢柱的埋入深度是影响柱脚的固定度、承载力和变形能力的重要因素。

对轻型工字形柱：；对大型截面H型刚柱和箱型截面柱和圆管形截面柱：（——钢柱的截面高度或直径）；对边柱和角柱除了考虑钢柱截面外，其埋入深度还与保护层厚度、钢材屈服强度、混凝土的轴心抗压强度有关。

一般钢柱脚底板的厚度不宜小于钢柱的较厚板件厚度，且不宜小于20mm；
锚栓一般仅作安装过程固定之用，直径一般可在20～42mm的范围内采用，锚固长度不宜小于25d。

锚栓应采用双螺母紧固，在其埋设时，一般宜采用螺栓固定架，以保证锚栓位置的正确。

焊于钢柱埋入部分的抗剪圆柱头栓钉，对H形截面柱强轴左右两侧的翼缘、箱形截面柱两轴的每侧、圆管形截面柱两轴的每侧（90度扇面），其圆柱头栓钉数目不宜小于8 16；栓钉长度采用（4～6）d，直径通常采用16和19；
为防止钢柱的局部压屈和局部变形，在钢柱向钢筋混凝土基础或基础梁传递水平力处压应力最大值的附近，应对钢柱采取设置水平加劲肋、箱形管形柱内浇灌相同等级混凝土等补强措施。

3 外包式柱脚
3.1 受力分析
外包式柱脚计算时通常认为轴心压力N由钢柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；弯矩M由焊于钢柱翼缘的抗剪圆柱头栓钉传给包脚部分的钢筋混凝土，并通过包脚部分的钢筋混凝土传给钢筋混凝土基础或基础梁；包脚处顶部的水平剪力V由包脚混凝土和水平箍筋共同承担；在确定包脚部分钢柱周边的垂直纵向主筋的配置时，不考虑钢柱承担弯矩M。

3.2 节点构造设计
包脚式柱脚的钢筋混凝土包脚高度，截面尺寸和箍筋配置（特别是顶部加强箍筋），对柱脚的内力传递和恢复力特性起着重要的作用。

钢筋混凝土的包脚高度同埋入式柱脚，不区分边柱和角柱；
钢柱脚底板的厚度一般不宜小于20mm；
包脚处钢柱翼缘外侧面的钢筋混凝土应有足够的保护层厚度，一般不应小于18cm，并适当配置补强箍筋，在外包式柱脚的顶部应配置不少于的加强箍筋，一般箍筋为。

4 结语
钢结构刚接柱脚节点的三种形式，各有其特点及适用范围。

《建筑抗震设计规范》第8.3.8条指出，钢结构的刚接柱脚宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超过50m时也可采用外露式。

由于外露式柱脚因难以保证柱脚刚接，且对使用功能及柱脚的耐久性影响较大，在高层建筑中一般较少采用；震害调查表明，外包式柱脚抗震性能欠佳，故8、9度时不宜采用。

同时刚接柱脚节点耐久性设计时应注意，柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm；当柱脚底面在地面以上时，柱脚底面应高出地面不小于100mm。

参考文献：
[1] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[2] 钢结构连接节点设计手册[M].-2版.北京：中国建筑工业出版社，2004.。