抗震區(qū)工業(yè)廠房柱腳設(shè)計(jì)的探討

王春燕 陳海勇 何嵇明

【摘要】隨著當(dāng)前建設(shè)形勢(shì)的迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中得到了較大的發(fā)展與應(yīng)用，并顯示了它特有的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)件裝配式、安裝快捷、工期短。因近年來地震頻發(fā)，抗震問題被人們所重視和思考，作為鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭軍--工業(yè)廠房，柱腳抗震該如何設(shè)計(jì)？是當(dāng)前設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真解決和思考的一個(gè)問題。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)廠房、抗震、鋼結(jié)構(gòu)、柱腳

1. 工業(yè)廠房柱腳

鋼柱腳是鋼骨架與基礎(chǔ)連接的重要節(jié)點(diǎn)，它將柱子所受到的內(nèi)力（軸力、彎矩和剪力）通過柱底板、靴粱和地腳螺栓傳給基礎(chǔ)。一般的門式輕鋼因自重輕，吊車噸位小、吊掛荷載輕、故不是地震作用效應(yīng)組合控制設(shè)計(jì)，一般采用鉸接或半剛性柱腳與基礎(chǔ)相連；重型廠房的柱腳在非抗震區(qū)通常采用兩種形式：一種是整體式柱腳，一種是分離式柱腳；多層建（構(gòu)）筑物框架體系柱腳多為柱腳帶靴梁用地腳螺栓與基礎(chǔ)剛性連接。這些柱腳均為外露式，構(gòu)造復(fù)雜、費(fèi)工費(fèi)料。而現(xiàn)在的工業(yè)廠房已經(jīng)超出門式剛架的范疇，有些已屬于重型廠房，且位于抗震區(qū)域，如果我們還是采用非抗震區(qū)通常做法，是否合理？現(xiàn)對(duì)常規(guī)的幾種柱腳連接方式在某工程上進(jìn)行計(jì)算比較、分析與探討。

2. 實(shí)際工程舉例討論

工程條件及荷載情況：

工程條件：24米x2跨度，單脊雙坡，開間8米，檐口高12.0m，屋面坡度為5%，每跨2臺(tái)32/5T吊車工作制A5 抗震設(shè)防烈度：7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.15g， Ⅳ類場地，

設(shè)計(jì)地震分組：第一組

荷載取值：屋面恒載：0.20KN/m2 ； 屋面活載：0.30KN/m2 （剛架） 0.50KN/m2 （檁條）

吊掛荷載：0.20KN/m2 ；風(fēng) 載：0.45KN/m2 ； 雪 載：0.45KN/m2

計(jì)算軟件：軟件采用中國建筑科學(xué)研究院-PKPM計(jì)算軟件STS、STPJ（2010版）。

現(xiàn)廠房柱腳如采用外露式和采用插入式柱腳的用鋼量進(jìn)行對(duì)比、分析。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010 第9.2.16條 采用外露式柱腳時(shí)，柱腳承載力不宜小于柱截面塑性屈服承力的1.2倍。按此條規(guī)定邊柱H600x400x8x16截面能承受的彎矩為Mp=Wpfy=[Af （H- tf）+twh2w/4]x fy，經(jīng)計(jì)算截面承擔(dān)的最大塑性彎矩=1512.08KN·M

乘1.2倍等于1814.5 KN·M ，

中柱H550x420x10x18 經(jīng)計(jì)算截面承擔(dān)的最大塑性彎矩=1615.43KN·M 乘1.2倍等于1938.52 KN·M ，

表1 根據(jù)模型內(nèi)力計(jì)算

名稱 模型查得內(nèi)力組合 柱腳錨栓大小

及個(gè)數(shù) 柱腳板尺寸（mm） 柱腳總用（kg）

（含加勁板）

邊柱柱腳H600x400x8x16 M=883.144KN-M N=193.814KN

V=-120.21 KN 6個(gè)M56錨栓

材質(zhì)：Q345B

-44x1050x850

435

中柱柱腳

H550x420x10x18 M=798.693 KN-M

N=651.25 KN

V=-87.75 KN 6個(gè)M52錨栓

材質(zhì)：Q345B

-44x980x960

505

表2 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

名稱 截面塑性彎矩：M

鋼材屈服抗剪強(qiáng)度：V 柱腳錨栓大小

及個(gè)數(shù) 柱腳板尺寸（mm） 柱腳總用（kg）

（含加勁板）

邊柱柱腳

H600x400x8x16 M=1814.5 KN-M

N=193.814KN

V=909.254 KN 8個(gè)M64錨栓

材質(zhì)：Q345B -50x1000x1220

645

中柱柱腳

H550x420x10x18 M=1938.52 KN-M

N=651.25 KN

V=1028.514KN 8個(gè)M68錨栓

材質(zhì)：Q345B -54x1200x1250 820

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.16條來計(jì)算錨栓和柱腳板，錨栓和柱腳板用量都比較大，現(xiàn)我們改用插入式柱，計(jì)算插入式柱腳的用鋼量。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.16條：實(shí)腹式鋼柱采用埋入式、插入式柱腳的埋入深度，應(yīng)由計(jì)算確定，且不得小于鋼柱截面高度的2.5倍。（如下圖所示）

因鋼柱腳在強(qiáng)震作用下全截面進(jìn)入屈服階段，作用于基礎(chǔ)頂面極限彎矩（塑性彎矩）和極限剪力，由柱翼緣板與二次澆灌層混凝土之間的抗壓傳遞。極限軸力，由二次澆灌層的粘剪力和底板承受。混凝土杯口基礎(chǔ)的承載力應(yīng)等于或大于柱子屈服承載力。

H鋼柱實(shí)腹柱插入深度d為：

注：二次澆灌采用C40砼 ，混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

邊柱：

=119+989=1108m

中柱： =128+1000=1128mm

與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.16條比較取大者。由此可得邊柱埋H=2.5h=2.5x600=1500mm

中柱埋深H=2.5h=2.5x550=1375mm

插入式柱腳的用鋼量是模型內(nèi)力計(jì)算的1/2，是截面塑性彎矩計(jì)算的2/3，用鋼量較為經(jīng)濟(jì)。

表3 插入式柱腳 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

名稱 截面塑性彎矩 插入深度d（mm） 柱腳板尺寸（mm） 柱腳總用鋼（kg）

（含加勁板）

邊柱柱腳

H600x400x8x16 M=1814.5 KN-M

N=193.814KN

V=909.254 KN

1500

-20x650x440

249

中柱柱腳

H550x420x10x18 M=1938.52 KN-M

N=651.25 KN

V=1028.514KN

1375

-20x600x450

262

3. 各類柱腳優(yōu)缺點(diǎn)

插入式柱腳是指柱腳直接插入已澆灌好的杯口內(nèi)，經(jīng)校準(zhǔn)后用細(xì)石混凝土澆灌至基礎(chǔ)頂面。柱腳下部的彎矩和剪力，主要是通過二次澆灌層細(xì)石混凝土對(duì)鋼柱翼緣的側(cè)向壓力所產(chǎn)生的彎矩來平衡，軸向力由二次澆灌層的粘剪力和柱底板反力承受。其受力原理簡單明確，安裝及加工方便，不需二次安裝。

外露式柱腳采用錨栓抗彎，抗剪鍵抗剪，柱腳板傳遞軸力來傳遞力及彎矩給基礎(chǔ)。相比較外露式柱腳加工比較繁瑣，施工安裝要跟土建單位緊密配合。

另外在抗震區(qū)用得較多的外包式柱腳其彎矩和剪力是由外包的砼和鋼筋承擔(dān)，鋼筋砼包腳的高度、截面尺寸和鋼筋的配置，由柱腳的內(nèi)力和鋼柱截面的大小確定，因這種柱腳在單層廠房用得不多，現(xiàn)不作計(jì)算進(jìn)行具體比較。

4.小結(jié)：

通過該工程的比較、分析，我們知道柱腳的做法有很多種，選擇適合具體工程的連接方式，設(shè)計(jì)合理的柱腳，不僅節(jié)省用鋼量，而且方便加工安裝。所以對(duì)一個(gè)現(xiàn)代工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅僅要滿足其受力安全和使用要求，還應(yīng)精心比較，選擇合理的柱腳連接式，這樣不但縮短工期，還能將低造價(jià)。

【參考文獻(xiàn)】

（1）《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）

（2）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）

（3）《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 102：2002）

（4）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算》，機(jī)械工業(yè)出版社，2001

（5）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版）中國建筑工業(yè)出版社