阅读模式

一、钢柱柱脚形式的分类

刚性固定柱脚：

1）埋入式柱脚；

2）外包式柱脚；

3）插入式柱脚；

铰接柱脚：

外露式柱脚；

二、埋入式柱脚

2.1、基本概念：

埋入式柱脚指的是将钢柱底端直接埋入混凝土基础筏板、地基梁或地下室墙体内的一种柱脚，这种柱脚是刚性连接的。其特点在于将钢柱埋入相对自身绝对刚性的基础中，从而形成刚性固定柱脚节点。这种柱脚构造较为可靠，常被用于高层钢结构框架柱的柱脚。

2.2、埋入式柱脚的受力特点

柱的轴向压力 N 由钢柱的柱脚底板直接传递给钢筋混凝土基础。柱的轴向拉力，一方面通过柱脚底板悬出部分将其上部混凝土的反向压力传递给基础，另一方面经由锚栓（底脚螺栓）直接传给基础。

（2）柱的弯矩M有两种传递方式：

H 型钢柱翼缘上的抗剪圆柱头焊钉将其均传递给基础，在实际工程设计里大多会采用这种方法。（也有研究表明：这种形式的柱脚中栓钉的作用不是很大，内力的传递主要是以下方式。）

通过这种抵抗拒将力传递给基础。

柱脚顶部的水平剪力 V 是由钢柱翼缘传递的，同时也是由基础混凝土侧向承压力来传递的。

由于目前还没有能力考虑的有利因素如下：

钢柱翼缘在与基础混凝土处于侧向承压应力状态时，因钢柱翼缘与混凝土之间的摩擦会产生抵抗力，而在设计时对此抵抗力不予考虑。

（5）钢柱翼缘与基础混凝土之间的粘结作用设计时不考虑。

在确定埋入钢柱周边对称配置的垂直纵向钢筋面积时，不将由钢柱承担的弯矩考虑在内。

埋入式柱脚的埋深与构造示意图如下：

2.3、埋入式柱脚一般构造要求及部分细部设计计算

埋入式柱脚的钢柱埋入基础的深度，通常可在以下这些范围内选用：hc 为钢柱截面的高度或管径。

a、轻型工字钢截面柱： H=（2.0~2.5）hc；

b、圆管形截面柱的 H 值在（2.5 到 3.0）倍的 hc 之间；箱型截面钢柱的 H 值也在（2.5 到 3.0）倍的 hc 之间。

埋入式柱脚，在钢柱埋入部分的顶部需设置水平加劲肋或横隔板。对于 H 型截面柱，其水平加劲肋外伸宽度的宽厚比要不大于 9 乘以（235 除以 fay）的二分之一次方。对于箱型截面柱，其内部横隔板的宽厚比应不大于 30 乘以（235 除以 fay）的二分之一次方。

埋入式柱脚在钢柱的埋入部分需设置圆柱头抗剪栓钉，栓钉的数量要按计算要求来确定，栓钉的布置也应按计算要求来确定。[id_880969221]

埋入式柱脚钢柱脚底板的长和宽钢结构地脚螺栓的设计，需依据柱的轴力，通过下式来计算确定，并且要满足构造要求。即柱轴力 N 除以钢柱脚底板的长 L 与宽 B 的乘积，要小于等于混凝土轴心抗压强度设计值 fc 。一般情况下，钢柱脚底板的厚度不小于钢柱较厚板件的厚度，同时厚度也不小于 20mm ，并且要符合下式的要求：t 要大于等于(6 乘以柱脚底板的最大弯矩 Mmax 除以 f)的二分之一次方。（式中，Mmax 是根据钢柱脚底板与基础间的压应力以及钢柱脚底板的支承条件所确定的柱脚底板的最大弯矩。）[id_837739346]

钢柱脚底板在需要锚栓固定时，锚栓的锚固深度需不小于 25d 。并且一般情况下，锚栓仅用于安装固定这一用途。

钢柱脚埋入部分的外围混凝土内要配置竖向钢筋来形成暗柱。暗柱的截面可以是钢柱边长加上 300mm。其配筋率应不小于 0.2%。竖向钢筋沿周边的间距应不大于 200mm。四根角筋的直径应不小于φ20。每边中间的附加钢筋应不小于φ16。箍筋一般选取φ10@100。靠近基础顶面应增加三道φ12@50 的加强箍筋。竖向钢筋应锚入柱脚底板下不少于 35d。

柱脚一侧竖向钢筋（主筋）的截面面积As应按下式验算：

As 等于 M 除以（d 乘以 fsy）；M 等于 M1 加上 V 乘以 h。

式中： M ―作用于钢柱柱脚底部的弯矩设计值；

M1 ―作用于钢柱埋入处顶部的弯矩设计值；

V ―作用于钢柱埋入处顶部的水平剪力设计值；

h ―钢柱的埋深；

d ―受拉侧与受压侧竖向钢筋合力点间的距离；

fsy ―钢筋的抗拉强度设计值；

三、外包式柱脚

3.1、基本概念：

外包式柱脚指的是把钢柱底板放置在基础面上，接着由基础伸出钢筋混凝土短柱，将钢柱柱脚浇筑并包裹起来，使其成为一个整体。如下图所示：

3.2、外包式柱脚的受力特点

柱的轴向压力 N 由钢柱的柱脚底板直接传递给钢筋混凝土基础。柱的轴向拉力是通过柱脚底板悬出部分以及锚栓传给基础的。

柱的弯矩会通过钢柱翼缘的栓钉传递给包脚钢筋混凝土短柱，接着由钢筋混凝土短柱传递至基础。所以，在外包式柱脚中，栓钉在传力方面起着重要的作用。并且，短柱的配筋是由弯矩的大小来决定的，然而在计算短柱垂直纵向主筋的配置时，钢柱所承担的内力是不被考虑的。

包脚处顶部的水平剪力由两部分承担，一部分是包脚混凝土，另一部分是短柱箍筋。在这其中，栓钉起到了重要的传力作用。

3.3、外包式柱脚一般构造要求及部分细部设计计算

钢柱柱脚外包混凝土短柱的高度通常可在以下范围选用：hc 为钢柱截面的高度或管径。

a、轻型工字钢截面柱： H=（2.0~2.5）hc；

b、圆管形截面柱和箱型截面钢柱：H=（2.5~3.0）hc。

外包式柱脚钢柱位于短柱顶部，需设置水平加劲肋或横隔板。对于 H 型截面柱，其水平加劲肋外伸宽度的宽厚比要不大于 9 乘以（235 除以 fay）的二分之一次方。对于箱型截面柱，其内部横隔板的宽厚比应不大于 30 乘以（235 除以 fay）的二分之一次方。

外包式柱脚钢柱在混凝土短柱部分，需设置圆柱头抗剪栓钉。栓钉的数量以及布置方式，要依据计算要求来确定。圆管形截面柱两轴的每侧（90 度扇面），其栓钉数目不宜小于 8φ16，栓钉水平和竖向中心距均不应大于 200mm，竖向中心距不宜小于 6d，横向间距不宜小于 4d，栓钉外表面至钢柱翼缘侧边的距离不应小于 20mm；栓钉直径不应小于φ16（常用φ19），长度宜取 4 至 6 倍栓钉直径。

栓钉数量计算公式如下：

n 大于等于 Nf 除以 Nv ；Nf 等于 M 除以 hc ；Nv 等于 0.43As 乘以(Ec 乘以 fc)的二分之一次方且小于等于 0.7As 乘以γ乘以 f ；

上式中各符号的含义：

n ―理论计算所需栓钉最少数量;

由于弯矩 M 的作用，在混凝土内部，钢柱单侧翼缘会产生轴向压（拉）力。

M ―作用于钢柱包脚顶部的弯矩；

hc ―包脚钢柱的截面高度；

Nv ―一个圆柱头焊接栓钉受剪承载力设计值；

As ―一个圆柱头栓钉截面面积；

Ec ―混凝土的弹性模量；

fc ―混凝土的轴心抗压强度设计值；

f ―栓钉所用材料的抗拉强度设计值；

外包式柱脚钢柱脚底板的长和宽，需按照柱的轴力依据下式来计算并确定，同时要满足构造要求。即 N 除以（L 乘以 B）要小于等于 fc，其中 N 为柱轴力，fc 为混凝土轴心抗压强度设计值。一般情况下钢结构地脚螺栓的设计，钢柱脚底板的厚度不小于钢柱较厚板件的厚度，并且不小于 20mm，同时还应符合下式的要求：t 要大于等于（6 乘以 Mmax 除以 f）的二分之一次方。式中，Mmax 是根据钢柱脚底板与基础间的压应力以及钢柱脚底板的支承条件所确定的柱脚底板的最大弯矩。）

钢柱脚底板固定锚栓通常只是用于安装固定。锚栓的锚固深度应当不小于 25d。

外包式钢柱脚翼缘外侧的混凝土保护层厚度需不小于 200mm。短柱的截面可以是钢柱边长加上 200mm。其配筋率应不小于 0.2%。竖向钢筋沿周边的间距应不大于 200mm。四根角筋的直径应不小于φ20。每边中间的附加钢筋应不小于φ16。箍筋一般选取φ10@100。靠近基础顶面应增加三道φ12@50 的加强箍筋。竖向钢筋应锚入柱脚底板下不少于 35d。

柱脚一侧竖向钢筋（主筋）的截面面积As应按下式验算：

As = M / (d*fsy) ; M=M1+V*h

式中： M ―作用于钢柱柱脚底部的弯矩设计值；

M1 ―作用于钢柱埋入处顶部的弯矩设计值；

V ―作用于钢柱埋入处顶部的水平剪力设计值；

h ―钢柱的埋深；

d ―受拉侧与受压侧竖向钢筋合力点间的距离；

fsy ―钢筋的抗拉强度设计值；

四、插入式柱脚

4.1、基本概念：

钢柱脚插入混凝土杯口基础内，通过二次浇灌微膨胀细石混凝土来固定，这样的柱脚被称为插入式柱脚。它具有构造简单、节约钢材、安全可靠以及施工方便等优点。插入式柱脚通常只在单层钢结构工业厂房中使用，而不适合用于高层建筑钢结构。

4.2、插入式柱脚的受力特点

其受力特点同外包式柱脚，仅是施工顺序有别。

4.3、插入式柱脚一般构造要求及部分细部设计计算

除其混凝土杯口构造有别外，其它基本和外包式柱脚相似。

4.4、高杯口基础短柱构造

高杯口基础短柱的纵向钢筋，首先要满足计算方面的要求，除此之外，还应当满足以下这些构造方面的要求：

短柱四角的纵向钢筋直径最好不要小于 20 毫米，并且要延伸到基础底板的钢筋网上。对于大吨位吊车的双肢柱短柱，其四角纵向钢筋的直径最好不要小于 25 毫米。

若长边尺寸大于或等于 1000mm，其钢筋直径不应小于 16mm，间距不应大于 200mm，并且每隔一米左右要伸下一根并作 150mm 的直钩支承在基础底部的钢筋网上，其余钢筋锚固至基础底板顶面下 la 处。

短柱的短边，每隔 200mm 需配置纵向钢筋，该纵向钢筋直径不小于 16mm，并且每边的配筋率要不少于短柱截面面积的 0.05%。

短柱中的箍筋直径需不小于 8mm，且间距应不大于 150mm；若抗震设防烈度为 8 度或 9 度，箍筋直径要不小于 8mm，间距需不大于 100mm；在靠近短柱顶面的位置应额外增设三道加强箍筋，其规格为 3Φ10，间距为 50mm。

短柱顶面焊接钢筋网：若短柱长边尺寸小于或等于 1000mm，那么其钢筋直径不应小于 12mm；若短柱长边尺寸大于 1000mm 且小于 1500mm，其钢筋直径不应小于 14mm；若短柱长边尺寸大于 1500mm 且小于 2000mm，其钢筋直径不应小于 16mm。

对于 H 型截面钢柱，其插入深度通常可以在 2.0 倍到 2.5 倍柱截面高的范围内选取。实腹式钢柱采用插入式柱脚时的埋入深度，不能小于钢柱截面高度的 2 倍。并且还需要满足《建筑抗震设计规范》9.2.13 条的计算式，即 d≥(6M/bf*fc）½。式中，d 表示柱脚埋深；M 表示柱脚全截面屈服时的极限弯矩；bf 表示柱在受弯方向截面的翼缘宽度；fc 表示基础混凝土轴心受压强度设计值。

高杯口基础的杯壁厚度 t 依据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007–2002）中的表 8.2.6 来进行取值。

钢柱（包含双肢钢柱）与高杯口基础相连接时，应满足上述第 4.4.6 条中关于插入深度的规定。当杯壁厚度符合上述第 4.4.7 条的规定，并且还符合以下条件时，杯壁和短柱的配筋可以按照上述第 4.4.1 条至第 4.4.5 条的构造要求来进行设计。

起重机起重量在 75t 及以下，轨顶标高为 14m 及以下，基本风压小于 0.5kPa 的工业厂房，同时基础短柱的高度不超过 5m 。

起重机的起重量大于 75t，基本风压大于 0.5kPa，并且要符合这样的表达式：对于截面短轴来说，钢筋混凝土短柱的刚度要大于或等于插入钢柱刚度的十倍。

E2* I2 / E1* I1≥10

式中：

E1—钢柱的弹性模量；

I1—钢柱对其截面短轴的惯性矩；

E2—短柱的钢筋混凝土弹性模量；

I2—短柱对其截面短轴的惯性矩。

当不满足第 4.4.8 条构造配筋条件的要求时，对于钢筋混凝土短柱需按计算要求进行配筋。其受力侧纵筋的单边配筋率应不低于 0.2%。箍筋应在短柱的全长范围内加密为@100 的间距。箍筋的直径不小于φ8，在七度以上的抗震设防中，箍筋直径不小于φ10。