鋼結(jié)構(gòu)柱腳的形式及設(shè)計原則

趙培蘭

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，構(gòu)件的承載力雖然重要，但是節(jié)點(diǎn)部位對結(jié)構(gòu)的安全性尤為重要。其中最重要的節(jié)點(diǎn)部位就是梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)，這兩種節(jié)點(diǎn)若有一個出現(xiàn)問題，將會對建筑結(jié)構(gòu)造成很大的損失，所以在設(shè)計中對于鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式的選擇和構(gòu)造處理方法尤為重要。但多年來人們對梁柱的節(jié)點(diǎn)連接比較重視，而對柱腳節(jié)點(diǎn)連接形式及構(gòu)造重視不足。因此，我們要對柱腳節(jié)點(diǎn)形式的選用和設(shè)計原則有個概念性的把握。

對鋼結(jié)構(gòu)的柱腳而言，不是指柱構(gòu)件下端，而是指最下層柱構(gòu)件的下端和基礎(chǔ)混凝土的連接部分。柱腳是將最下層柱下端所受的軸力、彎矩、剪力有效地傳遞給基礎(chǔ)。目前，常用的鋼結(jié)構(gòu)的柱腳有外露式柱腳、混凝土外包式柱腳和埋入式柱腳三種類型。

一、外露式柱腳

1.特點(diǎn)

外露式柱腳是通過錨栓將柱腳底板連同柱構(gòu)件的下端和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)相連接形成的柱腳。這種柱腳在混凝土基礎(chǔ)中首先預(yù)埋錨栓，主要是因?yàn)橹涌梢栽诨炷吝_(dá)到強(qiáng)度后再吊裝，基礎(chǔ)梁的配筋等施工作業(yè)和鋼柱的吊裝可以分別進(jìn)行，所以外露式柱腳有施工簡單并且能有效縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。除高層建筑外，大部分中小規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)都利用此優(yōu)點(diǎn)而采用外露式柱腳。但此柱腳的剛度和承載力等力學(xué)性能比其他柱腳形式偏低。多層鋼結(jié)構(gòu)住宅柱腳不宜采用這種柱腳，因?yàn)檫@種柱腳的抗震性能欠佳。外露式柱腳主要承受彎矩、剪力、和軸力，一般錨栓承受拉力，壓力由柱腳底板和混凝土基礎(chǔ)的接觸面?zhèn)鬟f，剪力不能由錨栓承擔(dān)，而由底板和基礎(chǔ)接觸面的摩擦力傳遞，如果摩擦力不足可以通過設(shè)置抗剪鍵的方式來承擔(dān)柱底的剪力。

2.外露式柱腳設(shè)計原則

（2）錨栓要使用有延性能力的錨栓。如果不使用延性能力的錨栓，按破壞狀態(tài)時錨栓也不能進(jìn)行屈服設(shè)計。

（2）錨栓在混凝土基礎(chǔ)的錨固長度為2 0 d以上，并且在錨栓端部設(shè)置錨板。錨栓使用墊圈和雙重螺帽或者其他方式以防止松動。

（3）防止基礎(chǔ)混凝土的壓壞和割裂破壞，確保不發(fā)生螺栓被拔出引起沖切破壞柱腳底板下用無收縮砂漿密實(shí)填充。采用砂漿的壓實(shí)強(qiáng)度應(yīng)高于基礎(chǔ)混凝土的設(shè)計基準(zhǔn)強(qiáng)度。

（4）在應(yīng)力作用下，柱腳底板不宜發(fā)生屈服，對于輕鋼柱腳底板厚度不低于20 m m，其他柱腳底板厚度不小于柱翼緣厚度的1.5倍或3 0 m m。

二、外包式柱腳

1.特點(diǎn)

外包式柱腳，是在鋼柱底部的外側(cè)用鋼筋混凝土包裹起來，其截面的構(gòu)成為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)并且與非埋入式柱腳相同。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)柱沒有必要預(yù)先埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)所以其施工性較好，柱腳的固定性也高。但由于外包部分的截面變大樓面的有效面積減少，且受裝修上的影響，采用此種形式的建筑物的用途會有限制。工廠、倉庫、停車場等為防止車輛、叉車碰撞時，對柱進(jìn)行保護(hù)而采用外包式柱腳。此外，屋外受雨淋的柱構(gòu)件或地面使用水的建筑的柱構(gòu)件進(jìn)行外包后可以期待其防銹作用。

2.外包式柱腳設(shè)計原則

（1）外包式柱腳的設(shè)計，將軸力通過鋼柱腳部的底板傳給基礎(chǔ)；彎矩和剪切力通過外包式構(gòu)件混凝土部分來傳遞。計算其最大彎矩承載力時，可以將鋼柱腳部的負(fù)擔(dān)承載力加上去。

（2）外包式柱腳的高度，大于鋼柱截面高度的2.5倍，并且l/d>=1。這里l為從底板下側(cè)至外包式鋼筋混凝土的最上側(cè)箍筋為止的距離，d為從壓縮i壓縮邊線至鋼筋的重心距離。

（3）外包鋼筋混凝土縱向主筋的錨固長度大于25d（d為異形鋼筋的公稱直徑），頂部需設(shè)彎鉤。外包鋼筋混凝土的主筋必須充分錨入基礎(chǔ)或者基礎(chǔ)梁內(nèi)。

（4）外包鋼筋混凝土部分，至少應(yīng)設(shè)置與一般鋼筋混凝土柱同等配置的剪切補(bǔ)強(qiáng)筋（箍筋）。其箍筋的直徑、間距及箍筋的配筋率的最小值根據(jù)《鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，縱向主筋頂部至少配兩道箍筋，其間距30-50m m。

（5）底板下側(cè)位置為基礎(chǔ)梁的上側(cè)位置，底板及錨板按外露式柱腳設(shè)計。

（6）柱子若采用中空截面鋼管時應(yīng)注意確保鋼管壁不發(fā)生局部變形而進(jìn)行設(shè)計。

盡管，混凝土外包部分的柱外側(cè)焊接了栓釘，因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)中證實(shí)了其承載力和變形能力的上升很小，可以忽視其效果。

三、埋入式柱腳

1.特點(diǎn)

埋入式柱腳，和其他兩種柱腳形式相比固定度較高，承載力的確保比較容易如果將鋼柱設(shè)計成先行屈服，其恢復(fù)力特性呈現(xiàn)穩(wěn)定的完全彈塑性。其缺點(diǎn)，是埋入式柱腳埋入基礎(chǔ)中的鋼柱長度要增加，并且基礎(chǔ)梁的寬度內(nèi)的主筋不能與插入的鋼柱相交而擴(kuò)展或彎曲成斜筋等。另外，必須在基礎(chǔ)梁配筋之前先行設(shè)置鋼柱腳，所以鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的交貨日期也要提前。

2.設(shè)計原則

（1）埋入式柱腳的設(shè)計，軸力是通過鋼柱腳部的底板傳遞給基礎(chǔ)混凝土的；彎矩和剪力是由埋入混凝土中的鋼柱與混凝土間的承壓來傳遞的。

（2）鋼柱埋入基礎(chǔ)混凝土中的深度宜為鋼柱截面高度的2.5倍以上。

（3）基礎(chǔ)中埋入鋼柱的周圍要適當(dāng)配置加強(qiáng)鋼筋。特別是邊柱，應(yīng)確保外側(cè)的混凝土的保護(hù)層厚度，或者要注意配置適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)鋼筋。

一般情況下，外露式柱腳一般用于傳遞垂直荷載的鉸接柱腳；而對于高層鋼結(jié)構(gòu)或一些大型工業(yè)廠房的柱腳宜采用外包式柱腳或埋入式柱腳。

鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計和構(gòu)造措施在整個建筑結(jié)構(gòu)非常重要。一般中低層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的基礎(chǔ)都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此柱腳為兩種不同類型的結(jié)構(gòu)連接部位，地震作用下，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)柱腳的損壞多是由不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和施工引起的，因此我們要足夠重視。對于高層鋼結(jié)構(gòu)和大跨鋼結(jié)構(gòu)，一般宜選用埋入式柱腳。同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，要根據(jù)建筑物的類型選擇合理的柱腳連接形式，做好構(gòu)造處理措施。

[1][日]日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會．鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)總攬[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．

[2]李和華．鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計手冊[M]．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

[3]青木博.文鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計入門[M]．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.