钢柱外包式柱脚抗震设计问题
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［ ２］ 建筑抗震 设 计 规 范》 强制 Ｇ Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０《 要求钢结构框架的 抗 震 等 级 为 一 级 ～ 四 级 时 ， 框架
第一作者 ： 蔡倩 ， 女， 工程师 。 １ ９ ８ ３ 年出生 ， ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｃ ａ ｉ ｉ ａ ｎ＠ｈ ｃ ｅ ｃ ． ｃ ｏ ｍ ｑ ｑ 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ －０ ９ －１ ０
Ｌ Ｅ（ Ｋ Ｌ 其中 ， 塑性的屈曲极限被定义为Ｋ ＝４ ． ７ １ ｒ ｒ ｆｙ 为长细 比 ， Ｅ 为 钢 材 弹 性 模 量， ｆ ｙ 为钢材的屈服强
２ ， 考虑全塑性极限 算所得钢筋用量 Ａｓ 为 １ ３ ８ ２ｍｍ
／ 柱的 容 许 长 细 比 分 别 不 应 小 于 ６ ０ ２ ３ ５ ８ ０ ｆ ａ ｙ、 槡 ／ ／ ／ 其 中， ２ ３ ５ １ ０ ０ ２ ３ ５ １ ２ ０ ２ ３ ５ ｆ ｆ ｆ ｆ ａ ａ ａ ａ ｙ、 ｙ、 ｙ， ｙ表 槡 槡 槡 示钢 材 的 屈 服 强 度 。 在 ２ ０ １ ０版美国钢结构协会的 钢结构设计规范 Ａ 钢构件的弹性和 Ｉ 基础连接的重 要节点 ， 是决定其稳定承载力的重要因素 ， 在结构中 起着 重 要 的 作 用 。 外 包 式 柱 脚 （ Ｓ ｅ ｍ ｉ Ｅ ｍ ｂ ｅ ｄ ｄ ｅ ｄ － ） 常用于重钢结构厂房 ， 其计算假 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｕ ｍ ｎ Ｂ ａ ｓ ｅ ［ １］ 定为 柱 脚 刚 接 ， 在地震作用效应时传递弯矩至基 础， 但是在实际抗震计算设计过程中 ， 根据不同的弯 矩要求 ， 外包式 柱 脚 混 凝 土 配 筋 量 差 异 很 大 。 本 文 从钢结构框架柱的 截 面 确 定 方 法 入 手 ， 用极限弹塑 性设计抗弯承载力要求和多遇地震抗弯承载力要求 来分析比较外包式柱脚的设计 。 １ 钢结构框架柱截面的确定 在建筑荷载不起控制作用的抗震钢结构中， 柱 构件的截面往往由抗震构造指标确定 。 钢结构的抗 震设计遵循 “ 小震不坏 ， 大震不倒 ” 的原则 ， 一般抗震 计算只针对多遇地 震 进 行 ， 保证罕遇地震不倒需要 ３ ４
补充必要的抗震构造措施 。 钢结构框架柱的长细比 关系到钢结构的整 体 稳 定 ， 而容许长细比可以看作 是构造措施的一部 分 ， 是钢结构框架抗震构造的重 要控制指标之一 。 衡量一个结构抗震性能的最重要的因素就是构 件的延性 ， 而影响钢 构 件 延 性 的 因 素 之 一 便 是 杆 件 的长细比 。 对于杆 件 的 长 细 比 ， 如果杆件两端的节 点没有问题 ， 则杆 件 长 细 比 越 小 ， 延 性 越 好、 耗能能 ） 。 研究表明 ， 力越好 （ 图１ 钢结构 高 度 增 加 时 ， 轴力 增大 ， 竖向地震所产 生 的 动 力 效 应 对 框 架 柱 的 影 响 很大 。
Ｍｕ 为基于极限强度 最 小 值 的 节 点 连 接 最 大 受 弯 承 仅由翼缘的连 接 承 担 ； 载力 ， Ｍｐ 为 柱 的 全 塑 性 受 弯
图 １ 长细比与压力关系
承载力 ， 由钢柱的截面大小所决定 。 本例 中 ， 抗震设计计算分析得到的钢柱柱底弯 在钢柱截面选 矩计算设 计 值 Ｍｕ 为５ ９ ７ ． ４ｋ Ｎ·ｍ。 择为 ＷＨ 该截面的全 ７ ０ ０×５ ０ ０×２ ５×３ ２ 的情况下 ， 塑性受弯承载力 Ｍｐ 为 ３ 钢柱基于 ７ １ ９ ． ９ ５ｋ Ｎ·ｍ， 极限强度的最大受弯承载力更是需乘以 １ ． ２ 的放大 系数 ， 因而 Ｍｐ 变为 ４ ４ ６ ４ｋ Ｎ·ｍ。 本例中按照外包 外包混凝土截面为 １ 式柱脚的构造要求 ， １ ０ ０ ｍｍ× 扣 除 保 护 层 厚 度 后， １ １ ０ ０ ｍｍ， ｄ ２ ０ ０ ｍｍ， ０ ＝１ ， ，计 ＨＲ Ｂ ４ ０ ０ 钢筋的 ｆ ６ ０Ｍ Ｐ ａ ４ ０Ｍ Ｐ ａ ｆ ｓ ｔ ｋ 为５ ｙ 为３ ｐ
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Ｃ ａ ｉ Ｑ ｉ ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｐ ｅ ｉ ｕ ｎ Ｓ ｊ
钢结构 ２ ０ １ ３ 年第 １ 期第 ２ ８ 卷总第 １ ６ ８期
蔡 倩， 等： 钢柱外包式柱脚抗震设计问题
量， 其中 ， Ｍ 为作用于钢柱脚底部的弯矩 ， ｄ ０ 为 受拉 侧与受压侧纵向主筋合力 点 间 的 距 离 ， ｆ ｓ ｙ为 钢 筋 的 抗拉强度设计值 。 根据 Ｇ Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０ 中节 点 设 在抗震设防时 ， 需要按结构进入弹塑性 计原则要求 ， 阶段设计 ， 节点连接 的 承 载 力 应 高 于 构 件 截 面 的 承 载力 。Ｇ Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０ 规定 ， Ｍｕ ≥ １ ． ２ Ｍｐ，其中 ，
（ ， ） Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｈ ｕ ａ ｎ ｉ ｕ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｎ ＆Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｈ ａ ｎ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ３ ２， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｑ ｇ ｇ ｇ ｐ ｇ
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工程设计
钢柱外包式柱脚抗震设计问题
蔡 倩 水培君
（ ） 上海寰球石油化学工程有限公司 ，上海 ２ ０ ０ ０ ３ ２ 摘 要： 柱脚是钢结构中上部主体结构与基础连接的重要节点 ， 外包式柱脚常用 于 重 钢 结 构 厂 房 ， 其计算假定为柱 《 在地震作用效应时传递弯矩至基础 。Ｇ 建筑抗震设计规范 》 明确规 定 了 这 种 柱 脚 设 计 时 的 脚刚接 ， Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０ 极限承载力计算方法 。 构造要求的柱截面面积条件在节点弹塑性承载力设计中 起 控 制 作 用 的 情 况 ， 在实际设计过 对不同规范规定的长细比限值进行比较， 用极限弹塑性设计 程中常出现 。 从钢结构框架柱的截面确定方法入手 ， 抗弯承载力要求和多遇地震抗弯承载力要求来分析比较外包式柱脚的设计 ， 满足柱 脚 配 筋 设 计 的 经 济 性 和 合 理 的 计算要求 。 关键词 ： 外包式柱脚 ；长细比 ；塑性抗弯承载力 ；抗震设计 ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ９ ９ ６ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ０ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ － ｊ
第一作者 ： 蔡倩 ， 女， 工程师 。 １ ９ ８ ３ 年出生 ， ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｃ ａ ｉ ｉ ａ ｎ＠ｈ ｃ ｅ ｃ ． ｃ ｏ ｍ ｑ ｑ 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ －０ ９ －１ ０
Ｌ Ｅ（ Ｋ Ｌ 其中 ， 塑性的屈曲极限被定义为Ｋ ＝４ ． ７ １ ｒ ｒ ｆｙ 为长细 比 ， Ｅ 为 钢 材 弹 性 模 量， ｆ ｙ 为钢材的屈服强
２ ， 考虑全塑性极限 算所得钢筋用量 Ａｓ 为 １ ３ ８ ２ｍｍ
／ 柱的 容 许 长 细 比 分 别 不 应 小 于 ６ ０ ２ ３ ５ ８ ０ ｆ ａ ｙ、 槡 ／ ／ ／ 其 中， ２ ３ ５ １ ０ ０ ２ ３ ５ １ ２ ０ ２ ３ ５ ｆ ｆ ｆ ｆ ａ ａ ａ ａ ｙ、 ｙ、 ｙ， ｙ表 槡 槡 槡 示钢 材 的 屈 服 强 度 。 在 ２ ０ １ ０版美国钢结构协会的 钢结构设计规范 Ａ 钢构件的弹性和 Ｉ 基础连接的重 要节点 ， 是决定其稳定承载力的重要因素 ， 在结构中 起着 重 要 的 作 用 。 外 包 式 柱 脚 （ Ｓ ｅ ｍ ｉ Ｅ ｍ ｂ ｅ ｄ ｄ ｅ ｄ － ） 常用于重钢结构厂房 ， 其计算假 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｕ ｍ ｎ Ｂ ａ ｓ ｅ ［ １］ 定为 柱 脚 刚 接 ， 在地震作用效应时传递弯矩至基 础， 但是在实际抗震计算设计过程中 ， 根据不同的弯 矩要求 ， 外包式 柱 脚 混 凝 土 配 筋 量 差 异 很 大 。 本 文 从钢结构框架柱的 截 面 确 定 方 法 入 手 ， 用极限弹塑 性设计抗弯承载力要求和多遇地震抗弯承载力要求 来分析比较外包式柱脚的设计 。 １ 钢结构框架柱截面的确定 在建筑荷载不起控制作用的抗震钢结构中， 柱 构件的截面往往由抗震构造指标确定 。 钢结构的抗 震设计遵循 “ 小震不坏 ， 大震不倒 ” 的原则 ， 一般抗震 计算只针对多遇地 震 进 行 ， 保证罕遇地震不倒需要 ３ ４
补充必要的抗震构造措施 。 钢结构框架柱的长细比 关系到钢结构的整 体 稳 定 ， 而容许长细比可以看作 是构造措施的一部 分 ， 是钢结构框架抗震构造的重 要控制指标之一 。 衡量一个结构抗震性能的最重要的因素就是构 件的延性 ， 而影响钢 构 件 延 性 的 因 素 之 一 便 是 杆 件 的长细比 。 对于杆 件 的 长 细 比 ， 如果杆件两端的节 点没有问题 ， 则杆 件 长 细 比 越 小 ， 延 性 越 好、 耗能能 ） 。 研究表明 ， 力越好 （ 图１ 钢结构 高 度 增 加 时 ， 轴力 增大 ， 竖向地震所产 生 的 动 力 效 应 对 框 架 柱 的 影 响 很大 。
Ｍｕ 为基于极限强度 最 小 值 的 节 点 连 接 最 大 受 弯 承 仅由翼缘的连 接 承 担 ； 载力 ， Ｍｐ 为 柱 的 全 塑 性 受 弯
图 １ 长细比与压力关系
承载力 ， 由钢柱的截面大小所决定 。 本例 中 ， 抗震设计计算分析得到的钢柱柱底弯 在钢柱截面选 矩计算设 计 值 Ｍｕ 为５ ９ ７ ． ４ｋ Ｎ·ｍ。 择为 ＷＨ 该截面的全 ７ ０ ０×５ ０ ０×２ ５×３ ２ 的情况下 ， 塑性受弯承载力 Ｍｐ 为 ３ 钢柱基于 ７ １ ９ ． ９ ５ｋ Ｎ·ｍ， 极限强度的最大受弯承载力更是需乘以 １ ． ２ 的放大 系数 ， 因而 Ｍｐ 变为 ４ ４ ６ ４ｋ Ｎ·ｍ。 本例中按照外包 外包混凝土截面为 １ 式柱脚的构造要求 ， １ ０ ０ ｍｍ× 扣 除 保 护 层 厚 度 后， １ １ ０ ０ ｍｍ， ｄ ２ ０ ０ ｍｍ， ０ ＝１ ， ，计 ＨＲ Ｂ ４ ０ ０ 钢筋的 ｆ ６ ０Ｍ Ｐ ａ ４ ０Ｍ Ｐ ａ ｆ ｓ ｔ ｋ 为５ ｙ 为３ ｐ
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钢结构 ２ ０ １ ３ 年第 １ 期第 ２ ８ 卷总第 １ ６ ８期
蔡 倩， 等： 钢柱外包式柱脚抗震设计问题
量， 其中 ， Ｍ 为作用于钢柱脚底部的弯矩 ， ｄ ０ 为 受拉 侧与受压侧纵向主筋合力 点 间 的 距 离 ， ｆ ｓ ｙ为 钢 筋 的 抗拉强度设计值 。 根据 Ｇ Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０ 中节 点 设 在抗震设防时 ， 需要按结构进入弹塑性 计原则要求 ， 阶段设计 ， 节点连接 的 承 载 力 应 高 于 构 件 截 面 的 承 载力 。Ｇ Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０ 规定 ， Ｍｕ ≥ １ ． ２ Ｍｐ，其中 ，
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工程设计
钢柱外包式柱脚抗震设计问题
蔡 倩 水培君
（ ） 上海寰球石油化学工程有限公司 ，上海 ２ ０ ０ ０ ３ ２ 摘 要： 柱脚是钢结构中上部主体结构与基础连接的重要节点 ， 外包式柱脚常用 于 重 钢 结 构 厂 房 ， 其计算假定为柱 《 在地震作用效应时传递弯矩至基础 。Ｇ 建筑抗震设计规范 》 明确规 定 了 这 种 柱 脚 设 计 时 的 脚刚接 ， Ｂ ５ ０ ０ １ １－２ ０ １ ０ 极限承载力计算方法 。 构造要求的柱截面面积条件在节点弹塑性承载力设计中 起 控 制 作 用 的 情 况 ， 在实际设计过 对不同规范规定的长细比限值进行比较， 用极限弹塑性设计 程中常出现 。 从钢结构框架柱的截面确定方法入手 ， 抗弯承载力要求和多遇地震抗弯承载力要求来分析比较外包式柱脚的设计 ， 满足柱 脚 配 筋 设 计 的 经 济 性 和 合 理 的 计算要求 。 关键词 ： 外包式柱脚 ；长细比 ；塑性抗弯承载力 ；抗震设计 ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ９ ９ ６ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ０ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ － ｊ