鋼結(jié)構(gòu)柱腳的抗震設(shè)計要點(diǎn)分析

陳軍

（山西大同煤礦集團(tuán)設(shè)計研究有限責(zé)任公司 山西大同 037003）

1 插入式柱腳抗震設(shè)計

插入式柱腳是一種柱腳連接形式，于20世紀(jì)80年代被提出和應(yīng)用。插入式柱腳連接形式主要是指將鋼柱直接插入混凝土杯口內(nèi)，同時使用二層澆灌層進(jìn)行固定的一種方式[2]。插入式柱腳連接形式在應(yīng)用的過程中，上部鋼珠的內(nèi)力會逐漸傳入基礎(chǔ)，構(gòu)造也十分的簡單，同時還能夠在很大程度上節(jié)約鋼材，因而應(yīng)用十分廣泛。我國對插入式柱腳也有明確的規(guī)定，在抗震設(shè)計規(guī)范中，明確指出插入的深度必須要通過計算獲得和確定，其中規(guī)定最小的插入深度應(yīng)在單肢截面高度的2.5倍以上，且還應(yīng)在柱總寬度的0.5倍以上。然而，通過對現(xiàn)行規(guī)范的了解，其僅僅對最小值進(jìn)行了規(guī)定，并沒有對計算的公式進(jìn)行明確。這無疑為工程設(shè)計帶來的難度。因此，在計算深度方面，應(yīng)給予關(guān)注和重視。本研究從實(shí)腹柱插入和雙肢格構(gòu)柱插入式柱腳，總結(jié)了插入式柱腳抗震設(shè)計的要點(diǎn)。

實(shí)腹柱主要包括五Z種，即H形鋼柱、矩形管柱和鋼管混凝土柱、圓形鋼管柱和鋼管混凝土柱。不同的類型，其在計算深度方面也各不相同的。其中，鋼柱全截面進(jìn)入屈服階段時，插入深度的計算公式，如式（1）所示。在式（1）中，d表示鋼柱插入杯口深度，Vpw表示極限剪切力，b表示的是柱翼緣寬度，Mp表示的是彎矩，fy表示的是鋼材屈服強(qiáng)度，fe表示的是混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。

圓形鋼柱管和鋼管混凝土柱在地震力的作用下，相比于H鋼柱等，柱的受力情況更是比較復(fù)雜，因而在計算的過程中，精度是更加難以保障的。依據(jù)相關(guān)要求，插入深度的計算公式，如式（2）所示。在式（2）中，D表示的是鋼管外徑，其余參數(shù)，詳見公式1。

在計算雙肢構(gòu)柱插入深度的過程中，目前我國的現(xiàn)行規(guī)定中只有原則性的規(guī)定，對于基礎(chǔ)杯口內(nèi)深度計算公式還沒有相應(yīng)的規(guī)定。這就導(dǎo)致在抗震設(shè)防區(qū)域設(shè)計人員難以很好地實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防的目標(biāo)。

因此，為進(jìn)一步提高抗震設(shè)計的水平和目標(biāo)，在應(yīng)用插入式柱腳方式的過程中，應(yīng)從以下兩方面給予高度的關(guān)注和重視。從杯口基礎(chǔ)這一角度來說，首先在抗震設(shè)防區(qū)域，應(yīng)選擇適宜的杯口基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級。在選擇的過程中，應(yīng)對環(huán)境類別、設(shè)計使用年限以及混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度等進(jìn)行考慮。同時，杯口基礎(chǔ)與鋼柱肢的空隙應(yīng)高于混凝土等級，以確保充填的密度。另外，插入式鋼柱杯口基礎(chǔ)的受力情況與預(yù)制混凝土的基本相同，因而應(yīng)對杯口底板和杯壁的厚度以及承載力應(yīng)與預(yù)制混凝土柱的杯口基礎(chǔ)要求。

2 外包式柱腳抗震設(shè)計

外包式柱腳是指鋼柱底板直接與柱腳相連接，并在外部覆蓋混凝土層以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法。一般情況下外包混凝土都覆蓋有主筋和箍筋兩層，其中頂部結(jié)構(gòu)的箍筋是鋼柱外包部分，需要布設(shè)栓釘來強(qiáng)化水平抗拉力，通常鋼柱翼緣的混凝土層厚度在150mm以上，其具體應(yīng)力分布見圖1。

圖1 外包式柱腳受力狀態(tài)示意圖

從圖1中可以看出，在鋼柱和基底連接在一起時，柱腳的彎矩應(yīng)力由外包混凝土負(fù)擔(dān)，同時混凝土還承擔(dān)著鋼柱的剪力。在鋼柱軸力分布方面，直接通過底板傳導(dǎo)給基礎(chǔ)層，而軸向拉力則通過底板的伸出部分傳遞給基礎(chǔ)層。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計條例》（GT58505-2015）現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對混凝土局部承壓情況進(jìn)行預(yù)算。

柱腳受彎承載力計算公式為：

其中M為彎矩值，AS為鋼筋面積，fb為抗拉強(qiáng)度，h0為受壓區(qū)到鋼筋重心的距離，M2為受彎承載力。

3 結(jié)論

由于外包式柱腳和插入式柱腳的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在現(xiàn)代建筑抗震設(shè)計中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，望本文研究內(nèi)容得到相關(guān)企業(yè)及技術(shù)人員的重視，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用實(shí)踐，在柱腳抗震設(shè)計過程中注意質(zhì)量控制，更好地提升鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計水平，為行業(yè)發(fā)展提供建設(shè)性意見。

[1]吳健，王蕓蕓.鋼結(jié)構(gòu)柱腳的抗震設(shè)計要點(diǎn)分析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向：下，2016，14（11）：10050～10051.

[2]葛琳軍.高層鋼結(jié)構(gòu)柱腳的抗震設(shè)計[J].建材發(fā)展導(dǎo)向：上，2017，15（31）：147～148.