鋼柱與混凝土基礎連接形式探討

馬順峰

(中冶華天南京工程技術有限公司,江蘇南京 210019)

鋼柱與混凝土基礎連接形式探討

馬順峰

(中冶華天南京工程技術有限公司,江蘇南京 210019)

本文結合理論,在設計經驗的基礎上,闡述鋼柱與混凝土基礎的連接形式,指出各形式的適用范圍;并分析其各自的受力機理、相關的計算方法及構造措施。本文介紹了鉸接、剛接柱腳的主要型式,重點分析了插入式柱腳插入深度;分析結果和建議供同類設計者參考。

鉸接柱腳 剛結柱腳 柱腳設計

1 引言

隨著我國鋼鐵工業迅猛發展，鋼結構在結構設計中得到廣泛應用。柱腳合理性設計問題急需解決。柱腳是上部主體結構與基礎連接的節點，在結構中至關重要，起著承上啟下的作用。根據鋼柱和基礎的連接形式，柱腳可分為鉸接和剛結柱腳兩大部分。鉸接柱腳根據構造不同有：平板式、帶肋板式和靴梁式柱腳。剛結柱腳根據構造的不同，有外露式、埋入式、外包式及插入式柱腳。在設計中，采用什么樣的柱腳形式既經濟又安全十分重要，本文就柱腳形式和各自的適用范圍做一探討。

2 鉸接柱腳

平板式柱腳是構造最為簡單的一種鉸接柱腳形式，底板用水平角焊縫與柱截面相連，以傳遞柱中軸力和剪力。由于角焊縫的焊腳尺寸有一定限制而限制了傳力的大小，這種柱腳一般用于荷載較輕的柱子。當荷載較大時，可將端截面刨平頂緊于底版，依靠刨平頂緊傳力，但此時仍應設置角焊縫，根據《鋼結構設計規范》其連接焊縫可按最大壓力的15%或最大剪力中的較大值進行抗剪計算；當壓彎柱出現拉區時，該區的連接尚應按最大拉力計算。

荷載較大的柱子當采用平板式柱腳有困難時，可以采用帶肋板的柱腳形式。三角形肋板焊接于柱身使兩者成為一體，從而加大了傳遞的荷載。同時，加設肋板后，把底板分成若干區格，在基礎反力作用下，柱底板中彎矩可大大減小，從而可減小柱底板的厚度。

荷載更大的柱子還可采用圖1所示帶靴梁的柱腳形式。靴梁一般采用兩塊鋼板，柱中荷載通過豎向角焊縫傳給靴梁，靴梁則通過水平角焊縫把荷載傳給底板。根據需要在靴梁板間還可以設置隔板，以增加靴梁的側向剛度，更重要的是設置橫隔板以后，底板被分成許多更小的區格，底板厚度可減小。

3 剛接柱腳

圖1 帶靴梁的鉸接柱腳

框架柱柱腳不但需要承受軸心壓力，還要承擔水平剪力和彎矩。因而需要鋼柱與基礎剛結。剛結柱腳的形式主要有外露式、埋入式、外包式以及插入式。

3.1 外露式柱腳

外露式鋼柱腳是應用最為成熟、廣泛的柱腳形式，它的施工工藝簡單，造價低。主要應用在輕型鋼結構房屋、廠房中。外露式柱腳是用預埋入混凝土的螺栓連接鋼柱與基礎。外露式柱腳可分為整體實腹式和分離格構式。根據建筑物的不同采用不同的柱腳形式，多層框架結構一般采用實腹式柱腳，單層廠房根據廠房跨度、吊車大小，檐口高度，地震烈度及柱腳內力大小的不同，可選用實腹式和分離格構式柱腳。實腹或分離式柱腳的底板均應設靴板、加勁肋，隔板及錨栓托座等加強措施，各板件應有足夠的強度和剛度，保證柱腳內力的傳遞。柱腳錨栓不應承受水平剪力，其剪力應有設置在底板下的抗剪鍵和底板與混凝土間的摩擦力承受。錨栓可根據柱底彎矩，由彎矩平衡條件算出錨栓的大小及數量，這里不再贅述。

3.2 外包式柱腳

外包式柱腳是將鋼柱用鋼筋混凝土外包構成的柱腳。柱腳底部彎矩由外包鋼筋混凝土承受，外包鋼筋混凝土的驗算應符合《混凝土設計規范》的有關要求；柱腳底部剪力由鋼柱底板和混凝土間的摩擦力抵消一部分，其余的由外包鋼筋混凝土承擔。有關文獻研究結果表明：由于鋼柱翼緣上栓釘的存在，鋼柱軸力必定傳遞一部分軸力給外包混凝土。鋼柱內的剪力和外包混凝土的剪力是反向的，使得混凝土承擔的剪力比柱子還要大。本文參考國內外的有關文獻，經分析比較后提出外包式柱腳在設計時應注意以下幾點：

(1)鋼柱外包鋼筋混凝土高度，應由計算確定，且H型截面宜大于柱截面高度的2.5倍，箱型截面或圓管截面柱的鋼筋混凝土外包高度不宜小于3.0倍的鋼結構截面高度或圓管截面直徑。外包混凝土厚度，對H型截面柱不宜小于180mm，對箱型截面或圓管截面不宜小于200mm，其混凝土強度等級不宜小于C30。

(2)鋼柱腳在外包混凝土部分應設置圓頭栓釘，其直徑不應小于19mm，長度不應小于桿徑的4倍，栓釘豎向及橫向中心距不得大于200mm。在計算平面內，一側翼緣上栓釘數目可按下式計算：

式中：N-外包混凝土頂部箍筋處的鋼柱軸向力設計值

M-外包混凝土頂部箍筋處的鋼柱彎矩設計值

Nv-一個圓頭栓釘抗剪承載力設計值

(3)柱腳底板的尺寸和厚度應根據外包混凝土頂部箍筋處的鋼柱軸心壓力、底板的支承條件和底板下混凝土反力以及柱腳構造確定，但其厚度不應小于20mm。

(4)柱腳錨栓按構造要求設置，直徑不應小于20mm，錨固長度不宜小于25倍的錨栓直徑。當鋼柱承受拉力時，錨栓直徑和錨固長度應按計算確定且柱腳構造應滿足受力要求。

(5)鋼柱端部應刨平與底板頂緊相焊。鋼柱在外包混凝土的頂部處應設置水平加勁肋或橫隔板，其寬厚比應符合《鋼結構設計規范》的規定。加勁肋或橫隔板應與柱翼緣和腹板焊透。

圖2

圖3 插入式柱腳

3.3 埋入式柱腳

埋入式柱腳是將鋼柱埋入鋼筋混凝土獨立基礎、基礎梁或筏片基礎中，如圖2所示。

在抗震設防地區設計埋入式柱腳時，柱腳的下部在強震作用下易出現塑性區段，形成塑性鉸。為實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震目標，不允許柱腳首先屈服。埋入深度應大于計算值，使混凝土基礎的抗力大于地震作用力，以保證柱腳處于嵌固狀態。柱腳邊緣混凝土的承壓應力應滿足下式：

式中：M、V—柱中底部的彎矩和剪力；在抗震驗算時應為柱全截面屈服的彎矩和剪力。

d—為柱腳埋深。

柱腳埋入部分四周設置的縱筋和箍筋、鋼柱翼緣混凝土保護層，應符合有關“規范”規定。柱腳端部及底板、柱腳錨栓、埋入部分水平加勁肋或橫隔板的要求與外包式柱腳相同。對于埋入基礎內的深度現行規范規定的比較籠統，一般規定為2～3倍，設計人員很難把握埋入的深度，它沒有反應出混凝土強度等級和柱腳內力的關系。但根據有關假定和力平衡條件，可以推算出埋入深度d和混凝土強度之間的數學關系，這里不再陳述。

3.4 插入式柱腳

在單層工業廠房中絕大數是采用實腹式鋼柱或格構式雙肢鋼柱，柱腳與杯口式基礎采用插入式連接，因其柱腳有一定的插入深度，柱肢內力是逐漸傳入基礎的故可不用擴大的外露式柱腳，其構造極為簡單。從分析破壞機理證明，破壞發生在基礎內受拉肢的一側，受壓肢無破壞，受拉肢不僅承受拉力，而且在受拉肢插入段的底部還伴隨著因角變位而產生的向外水平變位，從而以撬力的形式作用于杯口，導致杯口壁破壞。這種柱腳構造簡單、節約鋼材、安全可靠，構造示意見圖3。

3.4.1 實腹插入式柱腳

在工程中常用的實腹柱有：H型鋼柱、矩形管柱、矩形鋼管混凝土柱和圓形鋼管混凝土柱。上述這些插入式柱腳在相關規程中沒有明確的規定。在《鋼結構設計規范》和《抗震設計規范》中關于插入深度有規范的比較籠統。現就實腹式柱腳插入深度探討如下：

插入式柱腳是將柱子插入已經澆灌好的基礎杯口內，經校準后用細石混凝土澆灌至基礎頂面。柱腳的作用是將柱子的內力通過二次澆灌層傳遞給基礎杯口，使上部結構與基礎牢固地結合在一起，承受上部結構傳來的內力和作用。插入式柱腳作用力的傳遞機理與埋入式柱腳的傳遞機理基本相同，只是插入式柱腳的插入部分未設置栓釘，柱腳下部的彎矩和剪力，主要是通過二次灌漿料對鋼柱翼緣的側向壓力所產生的彎矩來平衡，軸向力由二次灌漿料的粘剪力和柱底底板反力共同承受。插入深度計算可偏安全的簡單計算。計算采用平截面假定，柱底彎矩和剪力對受壓區混凝土的壓應力圖形應為三角形，柱腳邊緣混凝土的承壓應力應滿足下式：

當剪力較小時，忽略剪力V的影響。即得出下式

式中：M-基礎頂面鋼柱的彎矩

當柱腳剪力較大時，尚應考慮剪力與彎矩的共同作用。根據以上分析，杯口基礎混凝土等級不宜太低，二次澆灌層的強度要高。

3.4.2 格構柱插入式柱腳

通過工程實踐證明，柱肢插入深度，在保證受壓柱肢底板下混凝土局部受壓承載力和杯口底板受沖切承載力的前提下，插入深度主要由受拉肢軸心拉力控制，經試驗和理論分析的綜合研究，插入深度可按下式簡化計算

式中：Nmax-受拉肢的最大軸向拉力

計算插入深度應滿足《鋼結構設計規范》有關規定。經過對各種形式柱腳插入深度的計算分析和工程實踐經驗的總結，二次澆灌層細石混凝土的強度等級不宜小于C40。獨立杯口基礎的受力狀況與預制鋼筋混凝土柱杯口基礎基本相同。杯口的杯壁設計應根據柱腳下部的內力計算配筋，并應符合《建筑地基基礎設計規范》的有關規定。當鋼柱插入基礎梁或片伐基礎時，其受力鋼筋和箍筋及構造要求應符合國家現行有關標準的規定。

4 結語

柱腳設計原則： 傳力明確，過程簡潔，經濟合理，安全可靠，構造簡單，并具有足夠的剛度，能使柱子荷載安全傳至基礎。

[1]汪一駿,顧泰昌等.鋼結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[2]童根樹,郭立湘.外包式鋼柱腳設計方法研究.工業建筑,2008年第10期.

[3] 金波,童根樹.埋入式鋼柱腳的傳力分析和設計計算.工業建筑,2008年第7期.

[4]龔思禮等.建筑抗震設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

馬順峰(1980－),男(漢族),山東菏澤人,中級工程師,學士學位,主要從事結構設計工作。