钢结构柱脚设计样本

第八章基本设计第一节基本设计特点由于构造型式、荷载取值、支座条件等方面不同，传至基本顶面内力是不同，轻钢构造与老式砼构造相比，最大差别就是在柱脚处存在较小竖向力和较大水平力，对于固接柱脚，还存在较大弯矩，在风荷载起控制作用状况下，还存在较大上拔力。

柱底水平力会使基本产生倾覆和滑移，基本受上拔力作用，在覆土较浅状况下，会使基本向上拔起，关于这方面问题，背面再作详述。

由于轻钢构造这些受力特点，导致其基本设计与其他构造存在很大不同，重要体当前如下几种方面：⒈基本形式基本型式选取应依照建筑物所在地工程地质状况和建筑物上部构造型式综合考虑，对于砼构造基本，常用基本型式有独立基本、条形基本、片筏基本、箱形基本、桩基等等，而对于轻钢构造而言，由于柱网尺寸较大，上部构造传至柱脚内力较小，普通以独立基本为主，若地质条件较差，可考虑采用条形基本，遇到暗浜等不良地质状况，可考虑采用桩基本，普通状况下不采用片筏基本和箱形基本。

轴向力N和水平力V之外，还存在一定弯矩M，从而使刚接柱脚基本不不大于铰接柱脚。

⒊基本破坏形式要对的进行基本设计，一方面要懂得基本破坏形式，对其工作原理有所理解。

对于砼构造，普通柱网尺寸较小，故柱底水平力相对较小，基本普通不会产生滑移现象，又由于上部构造自重很大，足以抵抗风荷载作用下产生上拔力，故基本也不会产生上拔也许，对于这种构造，基本重要发生冲切、剪切破坏；而轻钢构造则不同，基本除发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大水平力，对于固接柱脚，还存在较大弯矩作用，从而导致基本产生倾覆和滑移破坏，此外，在风荷载较大状况下，特别对于某些敞开或半敞开构造，由于轻钢构造自重很轻，有也许局限性于抵抗风荷载产生上拔力，导致基本上拔破坏。

为防止这些破坏发生，最经济有效办法是增长基本埋深，即增长基本上覆土厚度，但增长了土方开挖和回填工程量。

此外对于轻钢构造基本，还须预埋锚栓（也称地脚螺栓），用于上部构造和基本连接，若锚栓离砼基本边沿太近，会产生基本劈裂破坏，因此国内钢构造设计规范规定了锚栓离砼基本边沿距离不得不大于150mm；若锚栓长度过短，会使锚栓从基本中拔出，导致破坏，因此规范也规定了锚栓埋入长度。

⒋基本设计内容基本设计普通涉及基本底面积拟定、基本高度拟定和配筋计算，还应符合关于构造办法。

基本底面积可依照地基承载力拟定，同步还应考虑软弱下卧层存在；基本高度由冲切验算拟定；在基本底面积和高度拟定状况下计算基本配筋，这里须注意伸缩缝双柱基本解决，双柱为基本提供了两个支点，在地基反力作用下，有也许浮现负弯矩，即基本上部受拉状况，此时除基本底部配备钢筋外，基本上部也应配筋，避免因上部受拉而浮现开裂现象。

轻钢构造基本除上述内容以外，还须进行柱底板设计和锚栓设计，至于这两某些设计归于上部构造还是下部构造，也存在某些争议，柱底板尺寸是依照柱与基本连接部位砼局部承压来拟定，与基本砼参数关于，但其制作又与上部构造连在一起，按照常规柱底板设计归入上部构造；锚栓在上部构造和基本之间起桥梁作用，但基本施工时应将锚栓埋入，故属于基本某些。

本章避开这个问题，就锚栓和底板设计分别进行讨论。

⒍关于构造办法除上述提到几种方面之外，轻钢构造尚有某些构造办法有别于其他构造基本，例如基本顶面须设立二次灌溉层；埋入式柱脚应在钢柱埋入某些设立栓钉；埋入式柱脚钢柱翼缘保护层厚度，对于中柱不不大于180mm，对于边柱和角柱外侧不适当不大于250mm，一、刚接和铰接柱脚前面已提到过，能抵抗弯矩作用柱脚称为刚接柱脚，相反不能抵抗弯矩作用柱脚称为铰接柱脚，刚接与铰接区别在于与否能传递弯矩，在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接都是不也许，确切地说应当是一种半刚接半铰接状态，为计算以便，只能依照实际构造把柱脚当作接近刚接或铰接。

刚接或铰接柱脚核心取决于锚栓布置，铰接柱脚普通采用两个锚栓(图8-3a)，以保证其充分转动，但有时考虑锚栓质量问题，若一种锚栓质量不保证，会对整个构造受力产生较大影响，所觉得安全起见，也可布置四个锚栓(图8-3b)，但锚栓尽量接近，以保证柱脚转动。

刚接柱脚普通采用四个或四个以上锚栓连接(图8-3c)，图中采用六个锚栓，可以以为柱脚不能转动，前面讲几种柱脚均为锚板式柱脚，构造简朴，是工程上惯用柱脚型式，此外尚有一种柱脚型式，即靴梁式柱脚(图8-3d)，这种柱脚可当作固接柱脚（属于刚接柱脚），由于柱脚有一定高度，使其刚度较好，能起到抵抗弯矩作用，但这种柱脚制作麻烦，耗工耗材，逐渐被其他柱脚型式所代替。

下面再简介工程上比较惯用固接柱脚（属于刚接柱脚），即包裹式柱脚(图8-4)，这种柱脚既节约钢材又构造简朴，施工以便，并且安全可靠，在受力上保证柱脚基本不发生转动，与计算模型很吻合，是一种典型固接柱脚。

用刚接柱脚或铰接柱脚？其实这两种柱脚很明显区别就是对侧移控制，如果构造对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如有吊车荷载状况，吊车荷载是动力荷载，对侧移比较敏感，并且侧移过大会导致吊车卡轨现象，此时应把柱脚设计成刚接柱脚，但在某些特殊状况下也可设计成铰接；又如有楼层构造，侧移过大会使人感觉不安全，左右晃动，并且还会使楼面装修材料开裂等等，这样构造柱脚应按固接设计。

对工程上常用门式刚架，柱脚普通设计成铰接；对地质状况较差地区，柱脚应考虑铰接，这样传至基本内力仅为轴力和剪力，不存在弯矩，有助于基本设计，可以减少基本造价。

二、锚栓锚栓是将上部构造荷载传给基本，在上部构造和下部构造之间起桥梁作用。

锚栓重要有两个基本作用：⒈作为安装时暂时支撑，保证钢柱定位和安装稳定性。

⒉将柱脚底板内力传给基本。

锚栓采用Q235或Q345钢制作，分为弯钩式和锚板式两种。

直径不大于M39锚栓，普通为弯钩式(图口(图8-6b)。

底板上须设立垫板，垫板尺寸普通为100⨯-，厚度依照计算拟定，垫板上开孔较锚栓100直径大1～2mm，待安装、校正完毕后将垫板焊于底板上。

图8-7为铰接柱脚锚栓布置图，图8-8为刚接柱脚锚栓布置图。

在图8-7中，从安全角度考虑，中柱两个在工程上经常会提出这样某些问题：锚栓能否抗剪？垫板与否要与底板焊牢？在施工时锚栓与否拧紧？国内钢构造设计规范是不容许锚栓抗剪，剪力是通过底板和基本顶面摩擦力来传递，若不满足规定则须设抗剪键（图8-9）。

上海市轻钢规程规定，采用靴梁刚接柱脚以及考虑地震作用组合时外露式柱脚锚栓不得用于传递柱脚底部水平反力，此水平反力应由底板与混凝土基本顶面间摩擦力承受，摩擦系数可取0.4，当水平反力不不大于摩擦力时，应设立抗剪键，上述状况之外，外露式柱脚锚栓可以传递柱脚底部水平反力，但必要进行计算，并将垫板与底板焊牢。

后者应当更合理些，由于轻钢构造重量比较轻，摩擦系数为0.4时底板和混凝土之间产生摩擦力很小，特别是在风吸力起控制作用时，底板与混凝土之间几乎不存在压应力，也即摩擦力几乎没有，如果按钢构造设计规范，在此状况下很难满足摩擦力抗剪条件，诸多构造须设抗剪键，但在实际工程中很少设抗剪键，也没有因而发生工程事故，可见锚栓参加了抗剪。

若锚栓抗剪，一方面锚栓须满足强度规定，另一方面与锚栓相邻砼不发生局部承压破坏。

有人以为锚栓应当拧紧，这样有助于传力，这种说法是不对的，对于当前惯用平板式柱脚，考虑锚栓传递剪力状况，锚栓不应当拧得很紧，这样锚栓在垫板开孔中产生微小滑动，使其与垫板孔壁接触，而垫板又与底板焊牢，从而起到传递剪力目。

但对于固接柱脚，为保证弯矩传递须拧紧锚栓。

三、特殊状况下轻钢构造基本⒈格构式柱基本格构式柱柱脚有整体式和分离式两种，整体式普通用于受力较小、两分肢间距较近时，但比较耗材，在大多数状况下采用分离式柱脚；分离式柱脚两肢完全分开，每个肢均为轴心受力。

由于两种柱脚构造不同，导致基本设计也不同。

对于整体式柱脚，由于柱脚底板是整块，且设立一定数量加劲肋，使柱脚形成一种整体刚度，因而作为基本一种支点，这样基本仅需底部配备受力筋，而上部不需配筋（图8-10a）；对于分离式柱脚，柱肢是分开，但其基本很难分开，因图8-10 格构式柱基本⒉地坪有较高承载力时基本解决在实际工程中，经常遇到某些改建、扩建工程，例如在集装箱码头建造轻钢厂房，或在老建筑旁扩建轻钢房屋但基本很难施工，等等。

在进行此类工程基本设计时，可考虑采用喜利得（HILTI）锚栓，该锚栓由瑞士喜利得公司生产，在国内工程中已得到广泛应用，这种办法不需设计基本，只要地坪具备足够强度，就可直接在地坪中预埋HILTI锚栓。

下面提供HILTI 锚栓关于技术数据，关于锚栓固定设计方面细节可向喜利得公司垂询。

表8-1 HILTI锚栓关于技术数据1、以上数据用于：◆混凝土强度为C25/30。

◆镀锌螺杆需符合ISO898T15.8级。

◆要达到以上剪力，基材厚度（h）不不大于边距（C）1.5倍。

2、要更大力量可增大孔深，但最大不能超过原则2倍深。

3、HVU管剂重要化学成分为：Vinylurethane树脂。

4、关于锚栓安装时边距和间距和混凝土对拉力和剪力影响请与HILTI工程师联系。

5、M24以上螺杆设计剪力是根据8.8级钢材。

8-2 HVU配件HAS螺杆第三节典型柱基本细部详图通过前面讨论，咱们已经对轻钢构造基本有一种初步理解，现结合实际工程，给出几种典型柱基本详图，以供人们参照。

⒉柱下条形基本第四节 柱底板和锚栓设计[9]一、轴心受压柱脚设计 ⒈ 底板面积h cef N A B L ≥-⨯0式中：N ——柱轴心压力设计值。

h ce f ——基本所用钢筋砼局部承压强度设计值。

0A ——锚栓孔面积⒉ 底板厚度 底板压力： 0A B L Nq -⨯=对于底板弯矩，分如下状况进行设计：⑴ 四边支承板21qa M α= mmN ⋅其中：a ——短边长度b ——长边长度α——系数，由ab查表8-3求得。

表8-3 四边支承板α系数⑵ 三边支承、一边自由板或两邻边支承板212qa M β=其中：1a ——自由边长或对角线长度1b ——两相邻固定边顶点到1a 垂直距离β——系数，由11a b 查表8-4求得。

表8-4 三边支承、一边自由或两邻边支承板β系数当3.011<a b 时，按悬臂长为1b 悬臂板计算。

⑶ 一边支承、三边自由板2321qC M =其中：C ——悬臂长度。

最后弯矩设计值{}321max,,m ax M M M M =最佳设计方案应使321,,M M M接近相等，若相差较大，应调节区格。

若不考虑塑性发展，则：fWM≤max由于上述求出弯矩是每延米弯矩，即：261t W =代入上式可得底板厚度：mm fM t 146max≥=国内钢构造设计规范中考虑底板塑性发展，故求底板厚度时采用下式计算：fM t max5=⒊ 锚栓设计由于该柱脚不承担弯矩，为铰接柱脚，故锚栓按构造设立。