鋼結構柱腳的形式及設計原則

趙培蘭

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

目前，鋼結構建筑發展迅速。在鋼結構建筑中，構件的承載力雖然重要，但是節點部位對結構的安全性尤為重要。其中最重要的節點部位就是梁柱節點和柱腳節點，這兩種節點若有一個出現問題，將會對建筑結構造成很大的損失，所以在設計中對于鋼結構的節點形式的選擇和構造處理方法尤為重要。但多年來人們對梁柱的節點連接比較重視，而對柱腳節點連接形式及構造重視不足。因此，我們要對柱腳節點形式的選用和設計原則有個概念性的把握。

對鋼結構的柱腳而言，不是指柱構件下端，而是指最下層柱構件的下端和基礎混凝土的連接部分。柱腳是將最下層柱下端所受的軸力、彎矩、剪力有效地傳遞給基礎。目前，常用的鋼結構的柱腳有外露式柱腳、混凝土外包式柱腳和埋入式柱腳三種類型。

一、外露式柱腳

1.特點

外露式柱腳是通過錨栓將柱腳底板連同柱構件的下端和混凝土結構的基礎相連接形成的柱腳。這種柱腳在混凝土基礎中首先預埋錨栓，主要是因為柱子可以在混凝土達到強度后再吊裝，基礎梁的配筋等施工作業和鋼柱的吊裝可以分別進行，所以外露式柱腳有施工簡單并且能有效縮短工期等優點。除高層建筑外，大部分中小規模的鋼結構都利用此優點而采用外露式柱腳。但此柱腳的剛度和承載力等力學性能比其他柱腳形式偏低。多層鋼結構住宅柱腳不宜采用這種柱腳，因為這種柱腳的抗震性能欠佳。外露式柱腳主要承受彎矩、剪力、和軸力，一般錨栓承受拉力，壓力由柱腳底板和混凝土基礎的接觸面傳遞，剪力不能由錨栓承擔，而由底板和基礎接觸面的摩擦力傳遞，如果摩擦力不足可以通過設置抗剪鍵的方式來承擔柱底的剪力。

2.外露式柱腳設計原則

（2）錨栓要使用有延性能力的錨栓。如果不使用延性能力的錨栓，按破壞狀態時錨栓也不能進行屈服設計。

（2）錨栓在混凝土基礎的錨固長度為2 0 d以上，并且在錨栓端部設置錨板。錨栓使用墊圈和雙重螺帽或者其他方式以防止松動。

（3）防止基礎混凝土的壓壞和割裂破壞，確保不發生螺栓被拔出引起沖切破壞柱腳底板下用無收縮砂漿密實填充。采用砂漿的壓實強度應高于基礎混凝土的設計基準強度。

（4）在應力作用下，柱腳底板不宜發生屈服，對于輕鋼柱腳底板厚度不低于20 m m，其他柱腳底板厚度不小于柱翼緣厚度的1.5倍或3 0 m m。

二、外包式柱腳

1.特點

外包式柱腳，是在鋼柱底部的外側用鋼筋混凝土包裹起來，其截面的構成為鋼骨混凝土結構并且與非埋入式柱腳相同。因為鋼結構柱沒有必要預先埋入混凝土基礎內所以其施工性較好，柱腳的固定性也高。但由于外包部分的截面變大樓面的有效面積減少，且受裝修上的影響，采用此種形式的建筑物的用途會有限制。工廠、倉庫、停車場等為防止車輛、叉車碰撞時，對柱進行保護而采用外包式柱腳。此外，屋外受雨淋的柱構件或地面使用水的建筑的柱構件進行外包后可以期待其防銹作用。

2.外包式柱腳設計原則

（1）外包式柱腳的設計，將軸力通過鋼柱腳部的底板傳給基礎；彎矩和剪切力通過外包式構件混凝土部分來傳遞。計算其最大彎矩承載力時，可以將鋼柱腳部的負擔承載力加上去。

（2）外包式柱腳的高度，大于鋼柱截面高度的2.5倍，并且l/d>=1。這里l為從底板下側至外包式鋼筋混凝土的最上側箍筋為止的距離，d為從壓縮i壓縮邊線至鋼筋的重心距離。

（3）外包鋼筋混凝土縱向主筋的錨固長度大于25d（d為異形鋼筋的公稱直徑），頂部需設彎鉤。外包鋼筋混凝土的主筋必須充分錨入基礎或者基礎梁內。

（4）外包鋼筋混凝土部分，至少應設置與一般鋼筋混凝土柱同等配置的剪切補強筋（箍筋）。其箍筋的直徑、間距及箍筋的配筋率的最小值根據《鋼筋混凝土設計規范》設計，縱向主筋頂部至少配兩道箍筋，其間距30-50m m。

（5）底板下側位置為基礎梁的上側位置，底板及錨板按外露式柱腳設計。

（6）柱子若采用中空截面鋼管時應注意確保鋼管壁不發生局部變形而進行設計。

盡管，混凝土外包部分的柱外側焊接了栓釘，因為從實驗中證實了其承載力和變形能力的上升很小，可以忽視其效果。

三、埋入式柱腳

1.特點

埋入式柱腳，和其他兩種柱腳形式相比固定度較高，承載力的確保比較容易如果將鋼柱設計成先行屈服，其恢復力特性呈現穩定的完全彈塑性。其缺點，是埋入式柱腳埋入基礎中的鋼柱長度要增加，并且基礎梁的寬度內的主筋不能與插入的鋼柱相交而擴展或彎曲成斜筋等。另外，必須在基礎梁配筋之前先行設置鋼柱腳，所以鋼結構構件的交貨日期也要提前。

2.設計原則

（1）埋入式柱腳的設計，軸力是通過鋼柱腳部的底板傳遞給基礎混凝土的；彎矩和剪力是由埋入混凝土中的鋼柱與混凝土間的承壓來傳遞的。

（2）鋼柱埋入基礎混凝土中的深度宜為鋼柱截面高度的2.5倍以上。

（3）基礎中埋入鋼柱的周圍要適當配置加強鋼筋。特別是邊柱，應確保外側的混凝土的保護層厚度，或者要注意配置適當的加強鋼筋。

一般情況下，外露式柱腳一般用于傳遞垂直荷載的鉸接柱腳；而對于高層鋼結構或一些大型工業廠房的柱腳宜采用外包式柱腳或埋入式柱腳。

鋼結構柱腳的設計和構造措施在整個建筑結構非常重要。一般中低層鋼結構建筑物的基礎都是鋼筋混凝土結構，因此柱腳為兩種不同類型的結構連接部位，地震作用下，大多數鋼結構柱腳的損壞多是由不適當的設計和施工引起的，因此我們要足夠重視。對于高層鋼結構和大跨鋼結構，一般宜選用埋入式柱腳。同時在結構設計當中，要根據建筑物的類型選擇合理的柱腳連接形式，做好構造處理措施。

[1][日]日本鋼結構協會．鋼結構技術總攬[M]．北京：中國建筑工業出版社，2004．

[2]李和華．鋼結構連接節點設計手冊[M]．北京:中國建筑工業出版社，1992.

[3]青木博.文鋼結構設計入門[M]．北京:中國建筑工業出版社，2012.