矩形鋼管混凝土柱埋入式柱腳設(shè)計(jì)

肖 鵬，呂 潮，殷 飛

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

鋼管混凝土柱一般多采用剛性固定柱腳，根據(jù)不同受力特點(diǎn)，柱腳節(jié)點(diǎn)形式可分為埋入式柱腳和非埋入式柱腳。其中埋入式柱腳是將矩形鋼管混凝土柱埋入基礎(chǔ)內(nèi)，埋入深度可有效傳遞柱腳彎矩、軸力、剪力，使鋼管混凝土柱底部形成塑性鉸，并更容易實(shí)現(xiàn)柱腳剛性節(jié)點(diǎn)的要求，具有良好的抗震性能，因此對(duì)于有抗震設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，埋入式柱腳的使用更廣泛。由于埋入式柱腳節(jié)點(diǎn)中，鋼管混凝土柱與基礎(chǔ)協(xié)同受力機(jī)制較復(fù)雜，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮。本文通過(guò)分析埋入式柱腳的傳力機(jī)制，并從計(jì)算和構(gòu)造要求2方面介紹設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 埋入式柱腳傳力機(jī)制

1.1 軸力傳遞

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[1]，埋入式柱腳在柱軸向壓力作用下的抗沖切驗(yàn)算從基礎(chǔ)底板算起，即鋼管混凝土柱軸力全部由柱腳底板直接傳給基礎(chǔ)，此種傳力機(jī)制簡(jiǎn)單直接，但將導(dǎo)致柱腳底板以下承臺(tái)厚度較大，經(jīng)濟(jì)性較差。因此也有研究表明，埋入式柱腳軸力的傳遞可由柱腳外壁栓釘與柱腳底板共同分?jǐn)偅捎谒ㄡ攧偠容^小，需經(jīng)受較大的變形才能完全發(fā)揮其抗剪承載力，而柱腳底板下為鋼筋混凝土承臺(tái)局部承壓的受力形式，剛度較大，按照變形協(xié)調(diào)原則，栓釘無(wú)法完全承擔(dān)柱的豎向軸力，需與柱底板共同分?jǐn)?，一般情況下，栓釘僅能承擔(dān)柱軸力的30%，而柱底板將承擔(dān)70%的軸力[2]。

1.2 彎矩和水平剪力的傳遞

1）彎矩的傳遞主要有2種形式[3]：①全部彎矩由鋼管混凝土柱側(cè)壁上焊接的栓釘抗剪作用傳遞給基礎(chǔ)；②全部彎矩由鋼管混凝土柱外壁鋼板以及與之接觸的基礎(chǔ)混凝土的局部壓力作用傳遞。

考慮到栓釘屬于柔性連接件，因此柱腳彎矩建議按照第2種方式進(jìn)行傳遞。

2）柱腳剪力也由埋入式的鋼管混凝土柱側(cè)壁與基礎(chǔ)的混凝土承壓力傳遞。埋入式柱腳傳力如圖1所示。

由于柱腳彎矩和剪力均由鋼管混凝土柱外壁鋼板以及與之接觸的基礎(chǔ)混凝土的局部壓力作用傳遞，因此需驗(yàn)算柱側(cè)壁邊緣混凝土的最大壓應(yīng)力，要求不超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度，并以此確定柱腳的埋入深度，驗(yàn)算公式如下：

圖1 埋入式柱腳傳力

式中，bc為柱寬，Hc為柱腳插入深度。

2 構(gòu)造要求

1）柱腳插入深度柱腳插入深度除應(yīng)滿足驗(yàn)算要求外，尚不應(yīng)小于柱長(zhǎng)邊尺寸的2倍。

2）栓釘栓釘直徑不宜小于19mm，長(zhǎng)度不應(yīng)小于4倍栓釘桿徑，豎向間距不應(yīng)小于6倍栓釘桿徑，橫向間距不應(yīng)小于4倍栓釘桿徑，且均不宜大于200mm。栓釘離側(cè)邊不宜小于50mm且不大于100mm。

3）外隔板由于鋼管混凝土柱將基礎(chǔ)梁及承臺(tái)面筋斷開(kāi)，因此需在鋼管混凝土柱對(duì)應(yīng)位置設(shè)置外隔板，可用于加強(qiáng)柱腳及焊接基礎(chǔ)梁、承臺(tái)斷開(kāi)面筋。外隔板厚度不宜小于25mm，外伸長(zhǎng)度不應(yīng)小于柱邊的1/10。

4）埋入部分側(cè)邊混凝土最小厚度中柱不得小于250mm，邊柱不得小于400mm。

5）U形鋼筋在邊柱和角柱基礎(chǔ)部位，埋入式柱腳基礎(chǔ)的頂部和底部需設(shè)置U形加強(qiáng)鋼筋，用以承擔(dān)柱腳傳遞給基礎(chǔ)的彎矩和剪力，防止基礎(chǔ)混凝土發(fā)生水平?jīng)_切破壞；U形鋼筋的錨固長(zhǎng)度應(yīng)從柱的內(nèi)邊緣算起，且不小于30d[4]，如圖2所示。

圖2 U形加強(qiáng)筋構(gòu)造

6）柱腳底板矩形鋼管混凝土柱埋入式柱腳的柱腳底板厚度不應(yīng)小于柱腳鋼管壁厚，且不應(yīng)小于25mm。且其厚度應(yīng)根據(jù)柱腳內(nèi)力及底板形式進(jìn)行受力核算。

7）柱腳底板下部二次澆筑要求柱腳底板下部考慮鋼柱施工及精度調(diào)平要求，通常在底板下預(yù)留一定空隙，此空隙需進(jìn)行二次澆筑。澆筑材料通常采用C40細(xì)石混凝土或M50膨脹水泥砂漿，用以保證柱安裝時(shí)柱底的初期承載力。

8）周邊縱筋及箍筋在埋入式柱腳四周需配置垂直縱向主筋，其配筋不宜小于4φ22，并應(yīng)在上端設(shè)置彎鉤；垂直縱向主筋的錨固長(zhǎng)度應(yīng)從柱腳底板以下部分算起，且不應(yīng)小于35d；當(dāng)垂直縱向主筋間距大于200mm時(shí)，應(yīng)增設(shè)φ16的垂直縱向架立筋，在埋入處的頂部應(yīng)配置不少于3φ12@50的加強(qiáng)箍筋；一般箍筋為φ10@100。且豎向鋼筋應(yīng)按照與栓釘?shù)葟?qiáng)配置[5]，如圖3所示。

圖3 埋入式柱腳大樣構(gòu)造

9）柱腳錨栓埋入式柱腳錨栓一般僅在安裝過(guò)程中起到固定的作用。錨栓直徑一般可在20～42mm范圍內(nèi)采用，且不宜小于20mm。錨栓應(yīng)設(shè)置彎鉤，錨固長(zhǎng)度不宜小于25d。錨栓墊板厚度與柱腳底板厚度相同，在柱安裝校正完畢后，應(yīng)將錨栓墊板與底板焊牢，其焊腳尺寸不宜小于10mm；錨栓應(yīng)采用雙螺母緊固，為防止螺母松動(dòng)，螺母與錨栓墊板宜進(jìn)行點(diǎn)焊。

3 結(jié)語(yǔ)

1）由于栓釘屬于柔性連接件，無(wú)法全部承擔(dān)埋入式柱腳軸力，建議軸力由柱腳外壁栓釘與柱腳底板按照3∶7的比例共同分?jǐn)偂?/p>

2）柱腳彎矩及剪力建議均由埋入的鋼管混凝土柱側(cè)壁與基礎(chǔ)的混凝土承壓力傳遞，因此需按此原則驗(yàn)算柱側(cè)壁邊緣混凝土的最大壓應(yīng)力，要求不超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度，并以此確定柱腳的埋入深度。

3）埋入式柱腳的設(shè)計(jì)除因滿足計(jì)算要求以外，各部位還需滿足相關(guān)構(gòu)造要求。