石油化工外露式鋼接柱腳設(shè)計(jì)

董海印　王梅亮

摘????? 要：石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)形式被大量使用，柱腳作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的一部分應(yīng)該得到足夠的重視。石油化工行業(yè)中最為常用的柱腳形式為外露式鋼接柱腳，其構(gòu)成主要包括柱腳底板、地腳螺栓、靴板、加勁肋、墊板、開(kāi)孔等幾大部分。結(jié)合石油化工行業(yè)特點(diǎn)，對(duì)上述柱腳的各組成部分進(jìn)行詳細(xì)的分析及研究，使石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)更加合理、規(guī)范。

關(guān)? 鍵? 詞：石油化工;鋼結(jié)構(gòu)外露式柱腳;鋼接柱腳

中圖分類號(hào)：TU 318?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1501-04

Design of Exposed Fixed Column Base in Petrochemical Industry

DONG Hai-yin， WANG Mei-ling

（CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang Liaoning 110167， China）

Abstract： Steel structure is widely used in petrochemical industry. As an important part of steel structure design， the column base should be paid enough attention. The most common form of column foot in petrochemical industry is exposed fixed column base， its main contents include baseboard， anchor bolt， boot plate， stiffener， bearing plate and round hole. In this paper， these parts were analyzed and researched based on the characteristics of petrochemical industry， in order to make the steel structure column design more reasonable and normal.

Key words： Petrochemical industry; Exposed column base; Fixed column base

1? 石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)外露式柱腳的重要意義及使用現(xiàn)狀

1.1? 鋼結(jié)構(gòu)柱腳的重要性

在石油化工行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)占到了60%以上，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)單體如：冷換構(gòu)架、反應(yīng)器構(gòu)架、樓梯間、裝置管廊、系統(tǒng)管廊等，而鋼柱腳是上部主體鋼結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的重要連接節(jié)點(diǎn)，柱腳將上部的荷載（軸力、剪力、彎矩）有效地傳遞至基礎(chǔ)，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)柱腳的形式也直接影響到結(jié)構(gòu)整體的內(nèi)力分布與變形性能，故鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。在國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)破壞的案例中鋼結(jié)構(gòu)柱腳的破壞占有很大的比例，特別是在風(fēng)荷載和地震荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)發(fā)生大的水平和豎直方向的變形，導(dǎo)致柱腳受到很大彎矩和剪力，從而造成柱腳錨栓斷裂、底板在錨栓邊緣被拉斷、柱腳焊縫撕裂等節(jié)點(diǎn)破壞情況^[1]，如圖1所示，進(jìn)一步導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞或者倒塌，所以鋼結(jié)構(gòu)柱腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)得到足夠的重視。

1.2 ?石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)柱腳的使用現(xiàn)狀

目前鋼結(jié)構(gòu)柱腳根據(jù)其所處的位置分為外露式柱腳、外包式柱腳、埋入式柱腳、插入式柱腳4種;按照受力情況分為鉸接柱腳（不可以傳遞彎矩）、鋼接柱腳（可以傳遞彎矩）兩大類^[2]。外露式鋼接柱腳以其安裝方便、可以有效縮短施工期以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到石油化工鋼結(jié)構(gòu)中。在石油化工行業(yè)中80%以上的鋼結(jié)構(gòu)均采用這種柱腳形式，但是目前外露式鋼接柱腳的規(guī)范化情況不太理想，經(jīng)過(guò)作者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)雖然同樣為外露式鋼接柱腳，但各設(shè)計(jì)院做的節(jié)點(diǎn)樣式有很大不同，甚至同一設(shè)計(jì)單位的不同設(shè)計(jì)人員的柱腳節(jié)點(diǎn)樣式也各式各樣，而且其中有很多的柱腳節(jié)點(diǎn)根本不符合相關(guān)的計(jì)算及構(gòu)造規(guī)定，如圖2所示。

通過(guò)實(shí)際情況可以看出，柱腳節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有得到設(shè)計(jì)人員的充分重視，設(shè)計(jì)人員把大量的精力投放到了上部鋼結(jié)構(gòu)的截面計(jì)算中而輕視了柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，嚴(yán)重違背了目前《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010中要求的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在很大的安全隱患^[3]，所以有必要對(duì)外露式鋼接柱腳的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的梳理。

2? 外露式鋼接柱腳的設(shè)計(jì)

柱腳的設(shè)計(jì)應(yīng)符合傳力可靠，減少應(yīng)力集中，便于制作、運(yùn)輸和安裝的總體原則，且滿足柱腳節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)值不小于下段柱的承載力設(shè)計(jì)值。外露式柱腳還應(yīng)采取構(gòu)造措施防止積水、積灰，并采取可靠的防腐、防火措施。常用的外露式鋼接柱腳主要由以下幾部分組成：柱腳底板、地腳螺栓、抗剪鍵、靴板、隔板、肋板、墊板、開(kāi)孔。下面本文將結(jié)合實(shí)際情況分別對(duì)柱腳的各組成部分進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

2.1? 柱腳底板的設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求

柱腳底板是柱腳計(jì)算中的關(guān)鍵，底板的強(qiáng)度直接決定了柱腳節(jié)點(diǎn)的安全性。柱腳底板及其連接板除了應(yīng)滿足柱腳向基礎(chǔ)傳遞內(nèi)力的強(qiáng)度要求外，還需要滿足承受基礎(chǔ)反力和錨栓抗力作用的能力。計(jì)算時(shí)可以假定柱腳為鋼體，基礎(chǔ)反力呈線性變化^[4]。底板的寬度B可以按公式（1）進(jìn)行確定：

B =b +2t +2c（1）

式中：b —柱截面寬度;

t—靴梁的厚度，一般取柱翼緣的厚度，且≮10 mm;

c—底板伸出靴梁外的寬度，一般≮20～30 mm。

底板的長(zhǎng)度L需滿足公式（2）的要求：

（2）

式中：N、M—柱下端的框架組合內(nèi)力即軸心力和相應(yīng)的彎矩;

f_C—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，當(dāng)計(jì)入局部承載的提高系數(shù)時(shí)可按規(guī)定進(jìn)行放大。

柱腳底板的厚度t可以按公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

??? ?????????（3）

在基礎(chǔ)反力的作用下，各區(qū)格單位寬度上彎矩的最大值，當(dāng)錨栓直接錨在底板上時(shí)取區(qū)格彎矩和錨栓產(chǎn)生彎矩的較大值;

?f 鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

各區(qū)格的彎矩應(yīng)該根據(jù)區(qū)格的四邊支承情況和區(qū)格底板下部的平均應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

除了按上述的公式計(jì)算確定外，柱腳底板的厚度還應(yīng)滿足一定的構(gòu)造要求：底板厚度不應(yīng)小于20 mm，也不宜大于100 mm，當(dāng)?shù)装搴穸却笥?0 mm時(shí)應(yīng)采用厚度方向性能鋼材。

2.2? 地腳螺栓的計(jì)算及構(gòu)造

錨栓是連接柱腳節(jié)點(diǎn)和混凝土基礎(chǔ)的關(guān)鍵構(gòu)件，錨栓在柱腳節(jié)點(diǎn)中的主要作用是承受上部結(jié)構(gòu)和彎矩產(chǎn)生的拔力，一般對(duì)稱布置在較大彎矩作用的方向上（柱子的強(qiáng)軸方向）。錨栓的計(jì)算應(yīng)選取最不利的荷載組合，一般情況下為M最大而N相應(yīng)較小的組合^[5]，該組合可以使底板在最大的范圍內(nèi)產(chǎn)生底部拉力，如圖3所示。

當(dāng)偏心距? 時(shí)，單個(gè)受拉錨栓有效截面積可按公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

???? ????（4）

式中： M、N —柱下端的框架組合中最大彎矩和其對(duì)應(yīng)的軸心力;

錨栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

n —柱一側(cè)的錨栓數(shù)量;

x —底板一側(cè)壓應(yīng)力分布長(zhǎng)度，應(yīng)采用使其產(chǎn)生最大拉力的組

合彎矩和相應(yīng)的軸力。

錨栓在混凝土基礎(chǔ)中錨固的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)承載力的需求和基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)來(lái)確定，一般情況下為25 d，當(dāng)錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)或者埋深受限時(shí)，可設(shè)置錨板。錨栓距離基礎(chǔ)邊緣不宜太近，否則容易造成混凝土的劈裂破壞，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)錨栓邊距的構(gòu)造要求一般不小于150 mm。

2.3? 抗剪鍵的計(jì)算

柱腳錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力，此水平反力首先通過(guò)柱腳底板與混凝土接觸面之間的摩擦力傳遞給基礎(chǔ)混凝土，但當(dāng)柱腳承受的水平力大于該摩擦力時(shí)，需要設(shè)置抗剪鍵來(lái)抗剪。在實(shí)際應(yīng)用中常采用H型鋼或者槽鋼，將抗剪鍵焊接在底板的下面，柱子的水平力由底板傳遞給焊縫再傳給抗剪鍵，抗剪鍵通過(guò)承壓傳遞給周圍的混凝土?？辜翩I能否起到抗剪作用其埋深起到關(guān)鍵的作用，抗剪鍵埋深應(yīng)能保證混凝土達(dá)到破壞時(shí)的承載力大于柱腳承受的水平力，其埋深h可按公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

??????????? （5）

式中：V —柱腳剪力設(shè)計(jì)值;

混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

b 抗剪鍵寬度。

2.4 ?靴腳板、肋板、墊板、開(kāi)孔等構(gòu)造要求

當(dāng)鋼接柱腳承受的荷載比較大時(shí)一般應(yīng)設(shè)置靴板，靴板可設(shè)計(jì)成單腹壁或者雙腹壁。靴板的高度一般由計(jì)算確定，但不宜小于300 mm，其厚度不宜小于柱子翼緣的厚度，且應(yīng)符合梁腹板的構(gòu)造要求，靴板一般貼焊于柱子翼緣上，也可以與柱子翼緣或者腹板等強(qiáng)對(duì)接焊接。

肋板是劃分柱腳底板區(qū)格的重要組成部分，肋板的設(shè)置直接影響了底板區(qū)格的大小及支承情況，從而影響底板的區(qū)格彎矩。肋板的截面應(yīng)根據(jù)柱腳反力由計(jì)算確定，反力取其承受底板下混凝土基礎(chǔ)反力，按懸臂支撐得到的剪力和錨栓拉力產(chǎn)生的剪力中的較大值。肋板的厚度不宜小于12 mm，并應(yīng)與柱的板件厚度和底板厚度相協(xié)調(diào)，其高度一般與靴板等高或者取靴板高度的三分之二。

墊板放置于底板的上方，為地腳螺栓的螺帽與底板間的傳力構(gòu)件，墊板設(shè)計(jì)時(shí)切不可與底板下方鋼柱安裝時(shí)找正用的墊鐵^[6]弄混淆。墊板的大小應(yīng)根據(jù)螺帽的直徑確定，一般應(yīng)比螺帽直徑大20 mm以上，厚度取螺栓直徑的0.4～0.5倍，且≮20 mm。

柱腳節(jié)點(diǎn)開(kāi)孔主要有以下幾種：底板螺栓孔、底板灌漿孔或者排氣孔、墊板開(kāi)孔、靴板排水孔。

底板螺栓孔供穿螺栓和安裝柱腳時(shí)使用，直徑一般為地腳螺栓直徑+6 mm，柱腳安裝前開(kāi)好。當(dāng)?shù)装迕娣e較大時(shí)需要在底板上開(kāi)設(shè)灌漿孔或者排氣孔，直徑為60～100 mm，其數(shù)量為每平方米底板面積上1～2個(gè)。墊板起到固定螺栓的作用，墊板開(kāi)孔為螺栓直徑+2 mm，鋼柱安裝完畢后將墊板與柱腳底板焊接，焊腳尺寸不小于10 mm，錨栓應(yīng)采用雙螺母擰緊并與墊板點(diǎn)焊。為防止柱腳節(jié)點(diǎn)內(nèi)長(zhǎng)期積水導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，應(yīng)在靴板的底部開(kāi)設(shè)排水孔，排水孔直徑可根據(jù)實(shí)際選用，一般在60 mm左右，對(duì)稱布置在鋼柱兩側(cè)。

3? 施工注意事項(xiàng)

3.1? 地腳螺栓的埋設(shè)

地腳螺栓的埋設(shè)是否精確直接影響到柱腳的位置及上部鋼結(jié)構(gòu)的安裝，地腳螺栓埋設(shè)中微小的誤差可能造成上部結(jié)構(gòu)無(wú)法安裝的嚴(yán)重后果，或者導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)被動(dòng)移位而影響正常使用。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205的要求：地腳螺栓位置的允許偏差應(yīng)不大于5 mm（中心偏移）。

在實(shí)際施工中地腳螺栓一般由負(fù)責(zé)基礎(chǔ)澆筑的土建隊(duì)伍進(jìn)行預(yù)埋，如果不采取有效的限位措施或者科學(xué)的施工工序，混凝土澆筑時(shí)很容易對(duì)地腳螺栓造成沖擊而改變其位置或者造成地腳螺栓的傾斜，所以對(duì)地腳螺栓的施工及定位應(yīng)采取必要的措施和科學(xué)的施工工序。地腳螺栓的施工應(yīng)嚴(yán)格遵守科學(xué)的施工工序：測(cè)量放線、基礎(chǔ)鋼筋的綁扎、柱墩模板安裝、定位板安裝及固定、螺栓組安裝復(fù)核、螺栓焊接固定、混凝土澆筑螺栓復(fù)核、產(chǎn)品保護(hù)。為了保證地腳螺栓的牢固需要在混凝土澆筑前將地腳螺栓與基礎(chǔ)底板或者基礎(chǔ)短柱的鋼筋進(jìn)行短鋼筋接頭連接或者直接采用定位模板，短鋼筋接頭的連接最好分布在地腳螺栓的上、中、下3個(gè)標(biāo)高，防止混凝土澆筑時(shí)的沖擊使其傾斜或者移位，同時(shí)混凝土振搗時(shí)應(yīng)進(jìn)行精細(xì)施工，防止振搗設(shè)備觸碰到地腳螺栓，混凝土澆筑時(shí)如發(fā)現(xiàn)地腳螺栓移位應(yīng)及時(shí)進(jìn)行糾正。地腳螺栓從安裝到完成施工應(yīng)經(jīng)過(guò)多次復(fù)測(cè)，分別為：短鋼筋接頭焊接完成后的復(fù)測(cè)、混凝土初凝前的復(fù)測(cè)、鋼柱預(yù)制和吊裝前的復(fù)測(cè)，每次的復(fù)測(cè)均需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙的要求進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后需要及時(shí)的糾正。地腳螺栓施工完成后還需要對(duì)地腳螺栓進(jìn)行成品保護(hù)，防止現(xiàn)場(chǎng)的施工與其發(fā)生碰撞及地腳螺栓的腐蝕。

3.2? 柱腳焊縫的施工

柱腳作為重要的傳力構(gòu)件，其傳力途徑為：柱通過(guò)豎向焊縫傳遞到靴板和肋板，靴板和肋板通過(guò)水平焊縫傳遞到底板，然后再由底板傳遞到基礎(chǔ)頂面，焊縫在柱腳的傳力過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，因此柱腳焊縫的施工直接影響到柱腳的可靠性和安全性。

外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳的焊縫通常有兩種：剖口對(duì)接焊及普通的角焊縫。鋼結(jié)構(gòu)柱子與柱腳底板一般采用剖口焊，靴板及肋板與鋼柱、底板一般采用普通角焊縫，當(dāng)?shù)装宓暮穸取?0 mm時(shí)還需要采用厚度方向性能鋼板。焊縫長(zhǎng)度基本為滿焊，具體操作時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙中給定的焊縫形式及焊縫高度進(jìn)行施工。焊接施工時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：焊接變形對(duì)施工質(zhì)量影響非常大，所以焊接時(shí)應(yīng)采取措施嚴(yán)格控制焊接變形;根據(jù)板的不同厚度采取相應(yīng)的預(yù)熱措施及層間溫度控制措施;實(shí)施分段的多層多道焊，每焊完一道后應(yīng)及時(shí)清理焊渣及表面飛濺物，發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷時(shí)，應(yīng)清除后方可再焊;焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷，一二級(jí)焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。

4? 結(jié)束語(yǔ)

柱腳設(shè)計(jì)作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全性起著至關(guān)重要的作用，但是目前在石油化工行業(yè)中未能得到足夠的重視。本文結(jié)合理論基礎(chǔ)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)石油化工行業(yè)中常用的外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳的計(jì)算及構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)柱腳設(shè)計(jì)的合理性及構(gòu)造規(guī)范性給予了充分的強(qiáng)調(diào)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)有著一定的指導(dǎo)意義。

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收稿日期：2020-03-12

作者簡(jiǎn)介：董海?。?985-），男，遼寧省沈陽(yáng)人，工程師，2008畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）土木工程專業(yè)，研究方向：石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：donghaiyin@hqcec.com。