钢结构外露式刚接柱脚的过渡版连接设计方法

2021-12-13杨福海王银春

科学技术创新 2021年33期

杨福海王银春

（1、宁夏通信规划设计院有限责任公司，宁夏银川 750000 2、银川能源学院，宁夏银川 750000）

近年来，钢结构在工业与民用建筑中的应用越趋广泛。钢材的高强度、较好的变形性能，在工程中都得到了很好的发挥，尤其是在抗震、耗能方面钢结构具有很大优势。钢结构设计包括整体分析、构件设计、节点设计，而节点设计中的柱脚设计非常重要，它起着将柱底力传递给基础，使上部结构与基础有效的连接在一起的作用。所以如何将钢结构柱脚设计的准确、安全、合理、便于施工，显得至关重要。钢结构中的刚接柱脚，按其构造形式可分为：外露式柱脚、埋入式柱脚、外包式柱脚，其中外露式刚接柱脚常用于轻钢结构厂房、6～7 度抗震设防烈度且高度不超过50m 的多高层钢框架结构中[1]。本文将主要针对外露式刚接柱脚进行讨论。

目前，常用的外露式刚接柱脚的设计方法是在柱端焊接一块底板，在柱下基础浇筑完成后，将预埋在基础内的锚栓与底板进行可靠连接。由于钢柱吊装就位后需要进行标高和垂直度调整，所以会在钢柱底面和基础顶面之间预留约50mm 的后浇区域。施工时当钢柱标高和垂直度调整完成以后再进行二次压力注浆。本文称此种设计方法为传统设计方法。

传统设计方法的存在以下不足：

①预留的50mm 后浇区域施工质量难以保证，容易形成空鼓使钢柱脚传力不均匀，易形成安全隐患。

②在施工过程中预埋锚栓的位置往往偏差很大，与设计的锚栓布置有出入。

③钢柱安装过程中预留空间较小，不便施工。

本文针对传统设计方法存在的不足，提出钢结构外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法，本文称此种设计方法为新设计方法。新设计方法是在基础顶预埋一块钢板，过渡板与预焊锚栓按设计在工厂进行塞焊连接，施工现场将过渡板与基础顶预埋钢板进行焊接连接，最后将带有开孔底板的钢柱与锚栓进行连接安装。新设计方法可避免二次浇注和预埋锚栓位置偏差带来的不利影响，使柱底剪力的传递更明确、更可靠，且便于施工[2]。

1 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法

1.1 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法介绍：详见图1、图2。

图1 外露式刚接柱脚大样

图2 1-1 剖面

1.2 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法的计算公式

1.2.1 柱脚底板下混凝土受压验算(1)当偏心距e≤L/6 时，底板下的混凝土最大受压应力为[3]：

1.2.2 锚筋在剪力V、轴向压力N 和弯矩M 共同作用下的验算

在剪力V、轴向压力N 和弯矩M 共同作用下（即最终剪力由锚筋来承受），锚筋的面积按下面两个公式计算，并取其中的较大值[4]：

1.2.3 柱脚底板与柱下端的连接焊缝验算

柱脚底板与柱下端的连接焊缝，不考虑加劲肋等补强板件与底板连接焊缝的作用，即按无加劲肋的情况进行验算。沿H形截面柱周边采用角焊缝连接时，其强度按下列公式验算[5]：

式中：N、V、M 是作用在柱脚处的轴心压力、水平剪力、弯矩；Aew是沿柱截面周边的角焊缝的总有效截面面积；Wew是沿柱截面周边的角焊缝的总有效截面模量；Aeww柱腹板处的角焊缝的有效截面面积；βf是正截角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构取1.22，对直接承受动力荷载的结构取1.0；fwf是角焊缝的强度设计值。

1.2.4 过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝验算

过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝，采用角焊缝连接时，其强度按下列公式验算：

式中：N、V、M 是作用在柱脚处的轴心压力、水平剪力、弯矩；Aew是沿过渡板周边的角焊缝的总有效截面面积；Wew是过渡板周边的角焊缝的总有效截面模量；Aeww是过渡板周边平行于水平剪力方向的角焊缝的有效截面面积；βf是正截角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构取1.22，对直接承受动力荷载的结构取1.0；fwf是角焊缝的强度设计值。