钢柱与混凝土基础连接形式探讨

2014-12-07马顺峰

中国科技纵横 2014年3期

关键词：插入式柱脚杯口

马顺峰

(中冶华天南京工程技术有限公司,江苏南京 210019)

钢柱与混凝土基础连接形式探讨

马顺峰

(中冶华天南京工程技术有限公司,江苏南京 210019)

本文结合理论,在设计经验的基础上,阐述钢柱与混凝土基础的连接形式,指出各形式的适用范围;并分析其各自的受力机理、相关的计算方法及构造措施。本文介绍了铰接、刚接柱脚的主要型式,重点分析了插入式柱脚插入深度;分析结果和建议供同类设计者参考。

铰接柱脚刚结柱脚柱脚设计

1 引言

随着我国钢铁工业迅猛发展，钢结构在结构设计中得到广泛应用。柱脚合理性设计问题急需解决。柱脚是上部主体结构与基础连接的节点，在结构中至关重要，起着承上启下的作用。根据钢柱和基础的连接形式，柱脚可分为铰接和刚结柱脚两大部分。铰接柱脚根据构造不同有：平板式、带肋板式和靴梁式柱脚。刚结柱脚根据构造的不同，有外露式、埋入式、外包式及插入式柱脚。在设计中，采用什么样的柱脚形式既经济又安全十分重要，本文就柱脚形式和各自的适用范围做一探讨。

2 铰接柱脚

平板式柱脚是构造最为简单的一种铰接柱脚形式，底板用水平角焊缝与柱截面相连，以传递柱中轴力和剪力。由于角焊缝的焊脚尺寸有一定限制而限制了传力的大小，这种柱脚一般用于荷载较轻的柱子。当荷载较大时，可将端截面刨平顶紧于底版，依靠刨平顶紧传力，但此时仍应设置角焊缝，根据《钢结构设计规范》其连接焊缝可按最大压力的15%或最大剪力中的较大值进行抗剪计算；当压弯柱出现拉区时，该区的连接尚应按最大拉力计算。

荷载较大的柱子当采用平板式柱脚有困难时，可以采用带肋板的柱脚形式。三角形肋板焊接于柱身使两者成为一体，从而加大了传递的荷载。同时，加设肋板后，把底板分成若干区格，在基础反力作用下，柱底板中弯矩可大大减小，从而可减小柱底板的厚度。

荷载更大的柱子还可采用图1所示带靴梁的柱脚形式。靴梁一般采用两块钢板，柱中荷载通过竖向角焊缝传给靴梁，靴梁则通过水平角焊缝把荷载传给底板。根据需要在靴梁板间还可以设置隔板，以增加靴梁的侧向刚度，更重要的是设置横隔板以后，底板被分成许多更小的区格，底板厚度可减小。

3 刚接柱脚

图1 带靴梁的铰接柱脚

框架柱柱脚不但需要承受轴心压力，还要承担水平剪力和弯矩。因而需要钢柱与基础刚结。刚结柱脚的形式主要有外露式、埋入式、外包式以及插入式。

3.1 外露式柱脚

外露式钢柱脚是应用最为成熟、广泛的柱脚形式，它的施工工艺简单，造价低。主要应用在轻型钢结构房屋、厂房中。外露式柱脚是用预埋入混凝土的螺栓连接钢柱与基础。外露式柱脚可分为整体实腹式和分离格构式。根据建筑物的不同采用不同的柱脚形式，多层框架结构一般采用实腹式柱脚，单层厂房根据厂房跨度、吊车大小，檐口高度，地震烈度及柱脚内力大小的不同，可选用实腹式和分离格构式柱脚。实腹或分离式柱脚的底板均应设靴板、加劲肋，隔板及锚栓托座等加强措施，各板件应有足够的强度和刚度，保证柱脚内力的传递。柱脚锚栓不应承受水平剪力，其剪力应有设置在底板下的抗剪键和底板与混凝土间的摩擦力承受。锚栓可根据柱底弯矩，由弯矩平衡条件算出锚栓的大小及数量，这里不再赘述。

3.2 外包式柱脚

外包式柱脚是将钢柱用钢筋混凝土外包构成的柱脚。柱脚底部弯矩由外包钢筋混凝土承受，外包钢筋混凝土的验算应符合《混凝土设计规范》的有关要求；柱脚底部剪力由钢柱底板和混凝土间的摩擦力抵消一部分，其余的由外包钢筋混凝土承担。有关文献研究结果表明：由于钢柱翼缘上栓钉的存在，钢柱轴力必定传递一部分轴力给外包混凝土。钢柱内的剪力和外包混凝土的剪力是反向的，使得混凝土承担的剪力比柱子还要大。本文参考国内外的有关文献，经分析比较后提出外包式柱脚在设计时应注意以下几点：

(1)钢柱外包钢筋混凝土高度，应由计算确定，且H型截面宜大于柱截面高度的2.5倍，箱型截面或圆管截面柱的钢筋混凝土外包高度不宜小于3.0倍的钢结构截面高度或圆管截面直径。外包混凝土厚度，对H型截面柱不宜小于180mm，对箱型截面或圆管截面不宜小于200mm，其混凝土强度等级不宜小于C30。

(2)钢柱脚在外包混凝土部分应设置圆头栓钉，其直径不应小于19mm，长度不应小于杆径的4倍，栓钉竖向及横向中心距不得大于200mm。在计算平面内，一侧翼缘上栓钉数目可按下式计算：

式中：N-外包混凝土顶部箍筋处的钢柱轴向力设计值

M-外包混凝土顶部箍筋处的钢柱弯矩设计值

Nv-一个圆头栓钉抗剪承载力设计值

(3)柱脚底板的尺寸和厚度应根据外包混凝土顶部箍筋处的钢柱轴心压力、底板的支承条件和底板下混凝土反力以及柱脚构造确定，但其厚度不应小于20mm。

(4)柱脚锚栓按构造要求设置，直径不应小于20mm，锚固长度不宜小于25倍的锚栓直径。当钢柱承受拉力时，锚栓直径和锚固长度应按计算确定且柱脚构造应满足受力要求。

(5)钢柱端部应刨平与底板顶紧相焊。钢柱在外包混凝土的顶部处应设置水平加劲肋或横隔板，其宽厚比应符合《钢结构设计规范》的规定。加劲肋或横隔板应与柱翼缘和腹板焊透。

图2

图3 插入式柱脚

3.3 埋入式柱脚

埋入式柱脚是将钢柱埋入钢筋混凝土独立基础、基础梁或筏片基础中，如图2所示。

在抗震设防地区设计埋入式柱脚时，柱脚的下部在强震作用下易出现塑性区段，形成塑性铰。为实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震目标，不允许柱脚首先屈服。埋入深度应大于计算值，使混凝土基础的抗力大于地震作用力，以保证柱脚处于嵌固状态。柱脚边缘混凝土的承压应力应满足下式：

式中：M、V—柱中底部的弯矩和剪力；在抗震验算时应为柱全截面屈服的弯矩和剪力。

d—为柱脚埋深。

柱脚埋入部分四周设置的纵筋和箍筋、钢柱翼缘混凝土保护层，应符合有关“规范”规定。柱脚端部及底板、柱脚锚栓、埋入部分水平加劲肋或横隔板的要求与外包式柱脚相同。对于埋入基础内的深度现行规范规定的比较笼统，一般规定为2～3倍，设计人员很难把握埋入的深度，它没有反应出混凝土强度等级和柱脚内力的关系。但根据有关假定和力平衡条件，可以推算出埋入深度d和混凝土强度之间的数学关系，这里不再陈述。

3.4 插入式柱脚

在单层工业厂房中绝大数是采用实腹式钢柱或格构式双肢钢柱，柱脚与杯口式基础采用插入式连接，因其柱脚有一定的插入深度，柱肢内力是逐渐传入基础的故可不用扩大的外露式柱脚，其构造极为简单。从分析破坏机理证明，破坏发生在基础内受拉肢的一侧，受压肢无破坏，受拉肢不仅承受拉力，而且在受拉肢插入段的底部还伴随着因角变位而产生的向外水平变位，从而以撬力的形式作用于杯口，导致杯口壁破坏。这种柱脚构造简单、节约钢材、安全可靠，构造示意见图3。

3.4.1 实腹插入式柱脚

在工程中常用的实腹柱有：H型钢柱、矩形管柱、矩形钢管混凝土柱和圆形钢管混凝土柱。上述这些插入式柱脚在相关规程中没有明确的规定。在《钢结构设计规范》和《抗震设计规范》中关于插入深度有规范的比较笼统。现就实腹式柱脚插入深度探讨如下：

插入式柱脚是将柱子插入已经浇灌好的基础杯口内，经校准后用细石混凝土浇灌至基础顶面。柱脚的作用是将柱子的内力通过二次浇灌层传递给基础杯口，使上部结构与基础牢固地结合在一起，承受上部结构传来的内力和作用。插入式柱脚作用力的传递机理与埋入式柱脚的传递机理基本相同，只是插入式柱脚的插入部分未设置栓钉，柱脚下部的弯矩和剪力，主要是通过二次灌浆料对钢柱翼缘的侧向压力所产生的弯矩来平衡，轴向力由二次灌浆料的粘剪力和柱底底板反力共同承受。插入深度计算可偏安全的简单计算。计算采用平截面假定，柱底弯矩和剪力对受压区混凝土的压应力图形应为三角形，柱脚边缘混凝土的承压应力应满足下式：

当剪力较小时，忽略剪力V的影响。即得出下式

式中：M-基础顶面钢柱的弯矩

当柱脚剪力较大时，尚应考虑剪力与弯矩的共同作用。根据以上分析，杯口基础混凝土等级不宜太低，二次浇灌层的强度要高。

3.4.2 格构柱插入式柱脚

通过工程实践证明，柱肢插入深度，在保证受压柱肢底板下混凝土局部受压承载力和杯口底板受冲切承载力的前提下，插入深度主要由受拉肢轴心拉力控制，经试验和理论分析的综合研究，插入深度可按下式简化计算

式中：Nmax-受拉肢的最大轴向拉力

计算插入深度应满足《钢结构设计规范》有关规定。经过对各种形式柱脚插入深度的计算分析和工程实践经验的总结，二次浇灌层细石混凝土的强度等级不宜小于C40。独立杯口基础的受力状况与预制钢筋混凝土柱杯口基础基本相同。杯口的杯壁设计应根据柱脚下部的内力计算配筋，并应符合《建筑地基基础设计规范》的有关规定。当钢柱插入基础梁或片伐基础时，其受力钢筋和箍筋及构造要求应符合国家现行有关标准的规定。