浅谈钢结构中的柱脚设计

浅谈钢结构中的柱脚设计

摘要：随着全球人口的激增，建设用地随之紧张，高层建筑随之出现并不断增加。本文就高层钢结构中柱脚的设计进行探讨。以期供同仁参考。

关键词：高层钢结构；埋入式柱脚；基础冲切

Abstract: with the global population surge, construction land then nervous, high-rise building appears and growing. This paper high-rise steel structure in the design of the foot column is discussed in this paper. For reference to colleagues.

Keywords: high-rise steel structure; Embedded column footing; Punching based

一、现有高层钢结构柱脚的设计及其局限性

钢结构柱脚顾名思义就是钢结构柱子中位于柱子的底部，能将上部结构与下部基础有效进行连接的节点，起到将柱子下端的轴力、弯矩和剪力等荷载传递给基础的作用。目前高层钢结构柱脚的设计通常采用埋入式柱脚和外包式柱脚两种形式。埋入式柱脚是指将柱脚直接埋人基础内的柱脚形式，通常要求钢柱的埋人深度对轻型H型钢不得小于柱截面高度的2倍，对大截面H 型钢和箱型截面柱不得小于钢柱截面高度的3倍。外包式柱脚由钢柱脚和外包的混凝土组成，钢柱的轴力和弯矩通过焊接于钢柱的栓钉传递给混凝土，外包混凝土的高度与埋入式柱脚的埋人深度要求相同。

近年来随着我国建筑行业的发展，高层钢结构建筑被越来越广泛地采用。这些建筑由于埋置深度的要求，大都设有多层地下室。这样地震或者风荷载引起的水平力大部分都通过地下室嵌固层传递给侧面土体，而传到基础面上柱脚的荷载实际上是轴力起控制作用。所以这种多层地下室柱脚基本上弯矩、剪力较小，主要以轴力为主。如果采用常规的埋入式柱脚形式，柱脚埋人深度需要是柱子截面高度的3倍。以柱子截面1 m X 1 m箱型截面为例，柱脚埋入基础深度就要3 m，而且这种截面的柱子荷载一般较大，若再考虑柱子的冲切问题，就会出现柱脚部分基础厚度很大，达到5 m以上，使设计不尽合理。而若采用外包式柱脚的形式，由于钢柱每侧混凝土外包部分的厚度不得小于200 mm，这样1 m X 1 m的柱子在最底下一层的截面就变成1．4 m×1．4 m，势必影响建筑使用功能。针对这种情况，在实际工程中设计了一种新的柱脚形式，这里称为埋人式双底板柱脚。这种

埋入式双底板柱脚是由上下两块底板与底板间设置竖向加劲板形成整体的

柱脚形式.

二、新型埋入式双底板柱脚的设计思路

埋入式双底板柱脚是由上下两块底板与底板间的竖向加劲板组成，整个柱脚形成一个刚性节点。柱脚的竖向荷载首先传递给下部底板，然后再通过上下底板间加劲板的竖向焊缝传递给上部底板，从而形成共同受力的一个柱脚整体，节点刚度较好。另外由于柱脚上焊有上下两块底板，与仅一块底板的柱脚相比较，在埋入深度一致的前提下，前者的嵌固效果要好很多。参考《混凝土设计规范(GB 50010-2010)》中受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，锚固长度可取基本锚固长度的60％，所以与传统的埋人式柱脚相比，这种埋入式双底板柱脚的埋置深度可以大大减小，从而达到减少基础深度的目的。

三、埋入式双底板柱脚的设计步骤

1.双底板尺寸、上底板截面面积A及底板厚度t的确定。

为了充分发挥上底板的承压作用，尽可能将下底板承受的荷载通过竖向加劲板传导给上底板，设计中将下底板截面尺寸设计为上底板截面尺寸的1／2。对于上底板，可假定混凝土基础对柱脚底板的反力为均匀分布，因此上底板截面面积A可根据柱脚所受轴力荷载设计值Ⅳ和混凝土基础的抗压强度设计值直接得到，即所需上底板截面面积A为：

式(1)中：B一柱脚上底板截面的宽度；

L一柱脚上底板截面的高度。

设置了竖向加劲板后，柱脚底板被分成若干区格，见图3。底板区格有两种形式：一是三边支承的矩形板；一是三边支承的异形板。可分别确定这两种区格板单位宽度上的弯矩，从而确定底板的厚度t。若按弹性理论算出的底板厚度较大时，可基于极限状态的设计方法来确定底板厚度。

2. 上下底板间距即柱脚高度H的确定

埋入式双底板柱脚荷载虽然主要以竖向轴力为主，但是仍然存在部分的弯矩和剪力，此弯矩和剪力基本上由与柱翼缘接触的混凝土承压进行平衡。按照柱翼缘的混凝土承压设计，由弯矩和剪力产生的最大混凝土承压力不得超过混凝土的抗压强度设计值，可得

式中：一柱截面的宽度；

H 一柱脚高度。

3. 底板间加劲板厚度的确定

加劲板的厚度可按一端固接一端自由的梁承受底板传来的均布反力确定其弯矩后得出。同时由于双底板间加劲板的作用是将柱子的轴向荷载由下底板承担逐渐通过加劲板的竖向焊缝传递给上底板，从而形成上下底板共同受力，故通过计算焊缝的有效尺寸hf，也可以确定加劲板的厚度t，见式(4)、式(5)。

若钢柱内灌混凝土即为钢管混凝土结构时，则(4)式改为

式中：n 一加劲板竖向焊缝的数量；

一柱截面的高度；

一焊缝的抗剪强度；

一加劲板竖向焊缝的长度。

4.地脚锚栓的设计

双底板柱脚的锚栓基本上起着施工过程中固定柱脚的作用，同时承受柱脚弯矩，锚栓的面积不得小于As。

M

式中：一锚栓强度设计值；

一受拉锚栓与受压锚栓间的距离。

四、埋入式双底板柱脚的构造要求

1.为便于基础底板上部钢筋的施工，埋人式柱脚的上底板埋人基础内深度不

应小于100 mm。

2.埋入式柱脚上下底扳间距不得小于1倍的b1，其中b1，为柱子截面尺寸中较大边值，且下底板埋入深度不得小于1．2倍的b1。

3.为保证底板厚度不宜过大，竖向加劲板之间的最大净距离应小于20 tw ，其中tw为加劲板的厚度。

4.上下底板间柱身部分应设置栓钉，保证钢柱脚与基础混凝土之间的可靠结合，栓钉直径不宜小于16，间距不宜小于200 mm。

五、埋入式双底板柱脚的基础抗冲切计算

埋人式双底板柱脚设计的思路是由上底板承受大部分轴向荷载，故柱脚的基础冲切面可以从上底板面开始计算，从而有效地降低了基础厚度。

六、埋入式双底板柱脚的局限性

由于埋入式双底板柱脚埋人深度较小，故抗弯、抗拉能力比常规的埋入式柱脚要小，所以这种柱脚一般用在有多层地下室的高层结构中，柱脚荷载以轴心受压为主。对于无地下室或单层地下室的结构，若柱脚处弯矩较大，甚至柱脚荷载出现轴向受拉的情况则不适合用这种柱脚。同时这种柱脚焊缝较多，为保证焊接质量需在工厂整体加工完成。

结语

本文介绍了一种新的高层钢结构柱脚节点型式以及这种柱脚的计算方法和构造要求。与现有的钢结构柱脚节点相比，这种柱脚节点焊有上下两块柱脚底板，整体刚度较好，同时计算基础冲切时可以从上底板面开始，大大减少了柱脚基础的埋置深度。因而这种埋人式双底板柱脚节点特别适合于以承压为主的具有多层地下室的高层钢结构工程的柱脚设计。

参考文献

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