鋼結(jié)構(gòu)柱腳的抗震設(shè)計要點(diǎn)分析

吳健　王蕓蕓

摘要：柱腳是鋼結(jié)構(gòu)中上部主體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的重要節(jié)點(diǎn)，文章對銅結(jié)構(gòu)的埋入式和外包式柱腳的抗震設(shè)計進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)柱腳；埋入式；外包式

1.通常鋼結(jié)構(gòu)的柱腳形式有外包式柱腳，埋入式柱腳及外露式柱腳3種

外包式柱腳指將鋼柱腳外面用鋼筋混凝土包住的柱腳，埋入式柱腳是把鋼柱固定在混凝土的基礎(chǔ)梁上柱腳，而外露式柱腳是在混凝土基礎(chǔ)表面固定鋼柱的柱腳，其也是最常用的鋼結(jié)構(gòu)柱腳。鋼結(jié)構(gòu)柱腳，反力特別大，因此設(shè)計規(guī)劃時一般采用固定柱腳。在此類情況下，采用外露式柱腳不僅會導(dǎo)致底板既大又厚，消耗大量鋼材，更重要的是難以確保柱腳被完全固定。外包式柱腳和埋入式柱腳鋼結(jié)構(gòu)固定式柱腳的很好的選擇，通?？拐鹪O(shè)計也用這兩類柱腳。

2.埋入式柱腳抗震設(shè)計

埋入式柱腳的特點(diǎn)，是將鋼柱以一定深度埋置在混凝土基礎(chǔ)梁中，埋人部分的鋼柱表面雖然焊有栓釘，但根據(jù)研究，在這種形式的柱腳中栓釘?shù)淖饔貌淮?，?nèi)力的傳遞主要依靠混凝土對鋼柱翼緣的承壓力，柱的軸向壓力可由柱腳底板傳給混凝土，柱的軸向拉力可由柱腳底板伸出部分對混凝土的承壓作用傳給混凝土，或由錨栓傳給基礎(chǔ)。埋入式柱腳的支配因素是埋入深度。試驗表明，對于輕型工字形柱，埋深與柱截面高度之比不得小于2，對于大截面的寬翼緣H形柱和箱形柱，埋深與截面高度之比不得小3，且同時應(yīng)滿足下式要求：

d>=（6M/bf*fc）0.5

d-柱腳埋深；M-柱腳全截面屈服時的極限彎矩；bf-柱在受彎方向截面翼緣的寬度；fc-基礎(chǔ)混凝土軸心受壓強(qiáng)度設(shè)計值。

2.1柱腳軸向壓力由柱腳底板直接傳給基礎(chǔ)，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010驗算柱腳底板下混凝土的局部承壓，承壓面積為底板面積。

2.2埋入式柱腳應(yīng)驗算在軸力和彎矩作用下基礎(chǔ)混凝土的側(cè)向抗彎極限承載力，埋入式柱腳的極限受彎承載力不應(yīng)小于鋼柱全塑性抗彎承載力；與極限受彎承載力對應(yīng)的剪力不應(yīng)大于鋼柱的全塑性抗剪承載力。

埋入式柱腳的計算，可按以下假設(shè)進(jìn)行：鋼柱的軸心壓力N是由埋入的鋼柱底板直接傳遞到鋼筋混凝土基礎(chǔ)上；柱腳處的彎矩M由埋入鋼柱的翼緣與混凝土基礎(chǔ)的承壓力來傳遞給基礎(chǔ)，或者由埋入部分鋼柱上的抗剪焊釘來傳遞；柱腳的剪力v由埋入鋼柱的翼緣和基礎(chǔ)混凝土的承壓力來傳遞。

2.3采用鋼管柱時埋入式柱腳的構(gòu)造要求，截面寬厚比或徑厚比較大（≥33）的箱形柱和鋼管柱，其埋入部分應(yīng)采取措施防止在混凝土側(cè)壓力下被壓壞。常用方法是填充混凝土，填充高度應(yīng)稍高于混凝土基礎(chǔ)上表面；或在基礎(chǔ)上端附近設(shè)置內(nèi)隔板或外隔板。隔板的厚度應(yīng)按計算確定，外隔板的外伸長度不應(yīng)小于柱邊長（或管徑）1/10。對于有抗拔要求的埋入式柱腳，可在埋入部分設(shè)置栓釘。

2.4鋼柱邊（角）柱柱腳埋入混凝土基礎(chǔ)部分的上、下部位均需布置u形鋼筋加強(qiáng)。當(dāng)邊（角）柱混凝土保護(hù)層厚度較小時，可能出現(xiàn)沖切破壞，可用下列方法之一補(bǔ)強(qiáng)：

設(shè)置栓釘。根據(jù)過去的研究，栓釘對于傳遞彎矩和剪力沒有什么支配作用，但對于抗拉，由于栓釘受剪，能傳遞內(nèi)力。

錨栓。因柱子的彎矩和剪力是靠混凝土的承壓力傳遞的，當(dāng)埋深較深時，在錨栓中幾乎不引起內(nèi)力，但柱受拉時，錨栓對傳遞內(nèi)力起支配作用。在埋深較淺的柱腳中，加大埋深，提高底板和錨栓的剛度，可對錨栓傳力起積極作用。

3.外包式柱腳抗震設(shè)計

外包式柱腳的特點(diǎn)，是鋼柱底板與外包混凝土底部齊平，外包混凝土配有主筋和箍筋，頂部箍筋要集中配置，鋼柱的外包部分要設(shè)置栓釘，鋼柱翼緣外側(cè)的混凝土保護(hù)層厚度一般不應(yīng)小于150mm，外包式柱腳的內(nèi)力分布進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)鋼柱與基礎(chǔ)鉸接時，柱腳彎矩完全由外包鋼筋混凝土承受，柱的剪力也由外包混凝土承擔(dān)。至于柱的軸力，一般認(rèn)為，軸力可由鋼柱底板直接傳給基礎(chǔ)，軸向拉力可通過底板的伸出邊緣和錨栓傳給基礎(chǔ)。

外包式柱腳設(shè)計應(yīng)注意的主要問題是：（1）當(dāng)外包層高度較低時，外包層和柱面間很容易出現(xiàn)粘結(jié)破壞，為了確保剛度和承載力，外包層應(yīng)達(dá)到柱截面的2.5倍以上，其厚度應(yīng)符合有效截面要求。（2）若主筋的粘結(jié)力和錨固長度不夠，主筋在屈服前會拔出，使承載力降低。為此，主筋頂部一定要設(shè)彎鉤，下端也應(yīng)設(shè)彎鉤并確保錨固長度不小于25d。（3）如果箍筋太少，外包層就會出現(xiàn)斜裂縫，箍筋至少要滿足通常鋼筋混凝土柱的設(shè)計要求，其直徑和間距應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定。為了防止出現(xiàn)承壓裂縫，使剪力能從主筋順暢地傳給鋼筋混凝土，除了通常的箍筋外，柱頂密集配置幾道箍筋十分重要。（4）抗震設(shè)計時，在柱腳達(dá)到最大受彎承載力之前，不應(yīng)出現(xiàn)剪切裂縫。（5）采用箱形柱或圓管柱時，若壁板或管壁局部變形，承壓力會集中出現(xiàn)在局部。為了防止局部變形，柱壁板寬厚比和徑厚比應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003關(guān)于塑性設(shè)計規(guī)定，也可在柱腳部分在鋼管內(nèi)澆灌注混凝土。

埋入式柱腳和外包式柱腳的混凝土保護(hù)層厚度均不小于180mm，鋼柱埋人部分和外包部分均宜在柱翼緣上設(shè)置圓頭焊釘，其直徑不得小于16mm，其水平向和豎向的中心距離不得大于200mm。

4.結(jié)語

外包式和埋人式柱腳在抗震設(shè)計中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，文章從受力等多方面對其具體設(shè)計進(jìn)行了初步探討，希望能為相關(guān)設(shè)計提供參考。