矩形鋼管混凝土柱埋入式柱腳設計

肖 鵬，呂 潮，殷 飛

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

鋼管混凝土柱一般多采用剛性固定柱腳，根據不同受力特點，柱腳節點形式可分為埋入式柱腳和非埋入式柱腳。其中埋入式柱腳是將矩形鋼管混凝土柱埋入基礎內，埋入深度可有效傳遞柱腳彎矩、軸力、剪力，使鋼管混凝土柱底部形成塑性鉸，并更容易實現柱腳剛性節點的要求，具有良好的抗震性能，因此對于有抗震設計要求的結構，埋入式柱腳的使用更廣泛。由于埋入式柱腳節點中，鋼管混凝土柱與基礎協同受力機制較復雜，因此節點設計需重點考慮。本文通過分析埋入式柱腳的傳力機制，并從計算和構造要求2方面介紹設計要點。

1 埋入式柱腳傳力機制

1.1 軸力傳遞

根據相關規范要求[1]，埋入式柱腳在柱軸向壓力作用下的抗沖切驗算從基礎底板算起，即鋼管混凝土柱軸力全部由柱腳底板直接傳給基礎，此種傳力機制簡單直接，但將導致柱腳底板以下承臺厚度較大，經濟性較差。因此也有研究表明，埋入式柱腳軸力的傳遞可由柱腳外壁栓釘與柱腳底板共同分攤，但由于栓釘剛度較小，需經受較大的變形才能完全發揮其抗剪承載力，而柱腳底板下為鋼筋混凝土承臺局部承壓的受力形式，剛度較大，按照變形協調原則，栓釘無法完全承擔柱的豎向軸力，需與柱底板共同分攤，一般情況下，栓釘僅能承擔柱軸力的30%，而柱底板將承擔70%的軸力[2]。

1.2 彎矩和水平剪力的傳遞

1）彎矩的傳遞主要有2種形式[3]：①全部彎矩由鋼管混凝土柱側壁上焊接的栓釘抗剪作用傳遞給基礎；②全部彎矩由鋼管混凝土柱外壁鋼板以及與之接觸的基礎混凝土的局部壓力作用傳遞。

考慮到栓釘屬于柔性連接件，因此柱腳彎矩建議按照第2種方式進行傳遞。

2）柱腳剪力也由埋入式的鋼管混凝土柱側壁與基礎的混凝土承壓力傳遞。埋入式柱腳傳力如圖1所示。

由于柱腳彎矩和剪力均由鋼管混凝土柱外壁鋼板以及與之接觸的基礎混凝土的局部壓力作用傳遞，因此需驗算柱側壁邊緣混凝土的最大壓應力，要求不超過混凝土的抗壓強度，并以此確定柱腳的埋入深度，驗算公式如下：

圖1 埋入式柱腳傳力

式中，bc為柱寬，Hc為柱腳插入深度。

2 構造要求

1）柱腳插入深度柱腳插入深度除應滿足驗算要求外，尚不應小于柱長邊尺寸的2倍。

2）栓釘栓釘直徑不宜小于19mm，長度不應小于4倍栓釘桿徑，豎向間距不應小于6倍栓釘桿徑，橫向間距不應小于4倍栓釘桿徑，且均不宜大于200mm。栓釘離側邊不宜小于50mm且不大于100mm。

3）外隔板由于鋼管混凝土柱將基礎梁及承臺面筋斷開，因此需在鋼管混凝土柱對應位置設置外隔板，可用于加強柱腳及焊接基礎梁、承臺斷開面筋。外隔板厚度不宜小于25mm，外伸長度不應小于柱邊的1/10。

4）埋入部分側邊混凝土最小厚度中柱不得小于250mm，邊柱不得小于400mm。

5）U形鋼筋在邊柱和角柱基礎部位，埋入式柱腳基礎的頂部和底部需設置U形加強鋼筋，用以承擔柱腳傳遞給基礎的彎矩和剪力，防止基礎混凝土發生水平沖切破壞；U形鋼筋的錨固長度應從柱的內邊緣算起，且不小于30d[4]，如圖2所示。

圖2 U形加強筋構造

6）柱腳底板矩形鋼管混凝土柱埋入式柱腳的柱腳底板厚度不應小于柱腳鋼管壁厚，且不應小于25mm。且其厚度應根據柱腳內力及底板形式進行受力核算。

7）柱腳底板下部二次澆筑要求柱腳底板下部考慮鋼柱施工及精度調平要求，通常在底板下預留一定空隙，此空隙需進行二次澆筑。澆筑材料通常采用C40細石混凝土或M50膨脹水泥砂漿，用以保證柱安裝時柱底的初期承載力。

8）周邊縱筋及箍筋在埋入式柱腳四周需配置垂直縱向主筋，其配筋不宜小于4φ22，并應在上端設置彎鉤；垂直縱向主筋的錨固長度應從柱腳底板以下部分算起，且不應小于35d；當垂直縱向主筋間距大于200mm時，應增設φ16的垂直縱向架立筋，在埋入處的頂部應配置不少于3φ12@50的加強箍筋；一般箍筋為φ10@100。且豎向鋼筋應按照與栓釘等強配置[5]，如圖3所示。

圖3 埋入式柱腳大樣構造

9）柱腳錨栓埋入式柱腳錨栓一般僅在安裝過程中起到固定的作用。錨栓直徑一般可在20～42mm范圍內采用，且不宜小于20mm。錨栓應設置彎鉤，錨固長度不宜小于25d。錨栓墊板厚度與柱腳底板厚度相同，在柱安裝校正完畢后，應將錨栓墊板與底板焊牢，其焊腳尺寸不宜小于10mm；錨栓應采用雙螺母緊固，為防止螺母松動，螺母與錨栓墊板宜進行點焊。

3 結語

1）由于栓釘屬于柔性連接件，無法全部承擔埋入式柱腳軸力，建議軸力由柱腳外壁栓釘與柱腳底板按照3∶7的比例共同分攤。

2）柱腳彎矩及剪力建議均由埋入的鋼管混凝土柱側壁與基礎的混凝土承壓力傳遞，因此需按此原則驗算柱側壁邊緣混凝土的最大壓應力，要求不超過混凝土的抗壓強度，并以此確定柱腳的埋入深度。

3）埋入式柱腳的設計除因滿足計算要求以外，各部位還需滿足相關構造要求。