鋼結構外露式剛接柱腳的過渡版連接設計方法

楊福海 王銀春

（1、寧夏通信規劃設計院有限責任公司，寧夏銀川 750000 2、銀川能源學院，寧夏銀川 750000）

近年來，鋼結構在工業與民用建筑中的應用越趨廣泛。鋼材的高強度、較好的變形性能，在工程中都得到了很好的發揮，尤其是在抗震、耗能方面鋼結構具有很大優勢。鋼結構設計包括整體分析、構件設計、節點設計，而節點設計中的柱腳設計非常重要，它起著將柱底力傳遞給基礎，使上部結構與基礎有效的連接在一起的作用。所以如何將鋼結構柱腳設計的準確、安全、合理、便于施工，顯得至關重要。鋼結構中的剛接柱腳，按其構造形式可分為：外露式柱腳、埋入式柱腳、外包式柱腳，其中外露式剛接柱腳常用于輕鋼結構廠房、6～7 度抗震設防烈度且高度不超過50m 的多高層鋼框架結構中[1]。本文將主要針對外露式剛接柱腳進行討論。

目前，常用的外露式剛接柱腳的設計方法是在柱端焊接一塊底板，在柱下基礎澆筑完成后，將預埋在基礎內的錨栓與底板進行可靠連接。由于鋼柱吊裝就位后需要進行標高和垂直度調整，所以會在鋼柱底面和基礎頂面之間預留約50mm 的后澆區域。施工時當鋼柱標高和垂直度調整完成以后再進行二次壓力注漿。本文稱此種設計方法為傳統設計方法。

傳統設計方法的存在以下不足：

①預留的50mm 后澆區域施工質量難以保證，容易形成空鼓使鋼柱腳傳力不均勻，易形成安全隱患。

②在施工過程中預埋錨栓的位置往往偏差很大，與設計的錨栓布置有出入。

③鋼柱安裝過程中預留空間較小，不便施工。

本文針對傳統設計方法存在的不足，提出鋼結構外露式剛接柱腳的過渡板連接設計方法，本文稱此種設計方法為新設計方法。新設計方法是在基礎頂預埋一塊鋼板，過渡板與預焊錨栓按設計在工廠進行塞焊連接，施工現場將過渡板與基礎頂預埋鋼板進行焊接連接，最后將帶有開孔底板的鋼柱與錨栓進行連接安裝。新設計方法可避免二次澆注和預埋錨栓位置偏差帶來的不利影響，使柱底剪力的傳遞更明確、更可靠，且便于施工[2]。

1 外露式剛接柱腳的過渡板連接設計方法

1.1 外露式剛接柱腳的過渡板連接設計方法介紹：詳見圖1、圖2。

圖1 外露式剛接柱腳大樣

圖2 1-1 剖面

1.2 外露式剛接柱腳的過渡板連接設計方法的計算公式

1.2.1 柱腳底板下混凝土受壓驗算(1)當偏心距e≤L/6 時，底板下的混凝土最大受壓應力為[3]：

1.2.2 錨筋在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下的驗算

在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下（即最終剪力由錨筋來承受），錨筋的面積按下面兩個公式計算，并取其中的較大值[4]：

1.2.3 柱腳底板與柱下端的連接焊縫驗算

柱腳底板與柱下端的連接焊縫，不考慮加勁肋等補強板件與底板連接焊縫的作用，即按無加勁肋的情況進行驗算。沿H形截面柱周邊采用角焊縫連接時，其強度按下列公式驗算[5]：

式中：N、V、M 是作用在柱腳處的軸心壓力、水平剪力、彎矩；Aew是沿柱截面周邊的角焊縫的總有效截面面積；Wew是沿柱截面周邊的角焊縫的總有效截面模量；Aeww柱腹板處的角焊縫的有效截面面積；βf是正截角焊縫的強度設計值增大系數，對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結構取1.22，對直接承受動力荷載的結構取1.0；fwf是角焊縫的強度設計值。

1.2.4 過渡板與基礎頂面預埋板的連接焊縫驗算

過渡板與基礎頂面預埋板的連接焊縫，采用角焊縫連接時，其強度按下列公式驗算：

式中：N、V、M 是作用在柱腳處的軸心壓力、水平剪力、彎矩；Aew是沿過渡板周邊的角焊縫的總有效截面面積；Wew是過渡板周邊的角焊縫的總有效截面模量；Aeww是過渡板周邊平行于水平剪力方向的角焊縫的有效截面面積；βf是正截角焊縫的強度設計值增大系數，對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結構取1.22，對直接承受動力荷載的結構取1.0；fwf是角焊縫的強度設計值。

2 外露式剛接柱腳的過渡板連接設計方法計算實例

由于傳統設計方法在工程設計中已應用多年，大家較熟悉，故不再贅述。在此只給出新設計方法典型工程算例，示出詳細設計驗算過程。

2.1 設計資料

某輕鋼結構廠房H 形鋼柱柱腳，鋼柱、錨栓、預埋板、過渡板、柱腳底板鋼材均選用Q355B，截面H400×260×6×12，基礎混凝土強度等級C30，內力設計值N=300KN、V=35KN、m=202KN·m。

2.2 柱腳底板下混凝土受壓驗算

柱腳布置見圖3，底板受壓計算簡圖見圖4，在鋼柱翼緣處初步布置3 個M30 錨栓。

圖3 柱腳錨栓布置圖

圖4 底板受壓計算簡圖

2.3 錨筋在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下的驗算

在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下，錨筋的布置見圖5：

圖5 基礎頂部預埋鋼板圖

2.4 柱腳底板與柱下端的連接焊縫驗算

柱腳底板與柱下端的連接焊縫，不考慮加勁肋等補強板件與底板連接焊縫的作用，即按無加勁肋的情況進行驗算。沿H形截面柱周邊采用角焊縫連接，焊縫尺寸初步選定hf=10mm，焊條型號為E50，焊縫布置見圖6：

圖6 柱腳焊縫布置圖

柱腳底板與柱下端的連接焊縫計算滿足設計要求。

2.5 過渡板與基礎頂面預埋板的連接焊縫驗算

過渡板與基礎頂面預埋板的連接焊縫，采用角焊縫連接時，其強度按下列公式驗算。沿過渡板周邊采用角焊縫連接，焊縫尺寸初步選定為hf=10mm，焊條型號為E50，焊縫布置見圖7：

圖7 過渡板與埋板焊縫連接示意圖

過渡板與基礎頂面預埋板的連接焊縫計算滿足設計要求。

3 結論

3.1 為輕鋼結構廠房、6～7 度抗震設防烈度且高度不超過50m 的多高層鋼框架結構的外露式剛接柱腳提供了一種新的設計方法。

3.2 外露式剛接柱腳的過渡板連接設計方法可避免二次澆注和預埋錨栓位置偏差帶來的不利影響，使柱底剪力的傳遞更明確、更可靠，且便于施工。

3.3 通過工程典型實例的外露式剛接柱腳的過渡板連接方法的設計計算，給出了用新方法進行剛接柱腳設計計算的詳細過程，可以為類似工程提供參考。