鋼結(jié)構(gòu)柱腳分類特點(diǎn)與適用范圍

1、天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院?？飘厴I(yè)論文題目：鋼結(jié)構(gòu)柱腳分類、特點(diǎn)與適用范圍完成期限：2014年1 月3 日 至 2014年5月5 日學(xué) 習(xí) 中 心 某某某 年 級(jí) 2010級(jí)專 業(yè) 某某某某 指 導(dǎo) 教 師 某某某姓 名 某某某 學(xué) 號(hào) 102000000000摘 要目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，構(gòu)件的承載力雖然重要，但是節(jié)點(diǎn)部位對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性尤為重要。其中最重要的節(jié)點(diǎn)部位就是梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)，這兩種節(jié)點(diǎn)若有一個(gè)出現(xiàn)問題，將會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成很大的損失，所以在設(shè)計(jì)中對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式的選擇和構(gòu)造處理方法尤為重要。本文從鋼結(jié)構(gòu)柱腳的分類形式入手，對(duì)不同形式的柱腳進(jìn)行了分

2、析，分別從受力特點(diǎn)、構(gòu)造方式等方面進(jìn)行比較。最后結(jié)合選擇柱腳形式時(shí)應(yīng)考慮的各方面因素，給出了選擇鋼結(jié)構(gòu)柱腳形式的建議。關(guān)鍵字：鋼結(jié)構(gòu)；外露式柱腳；外包式柱腳；埋入式柱腳鋼結(jié)構(gòu)柱腳分類、特點(diǎn)與適用范圍一、引言 目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，構(gòu)件的承載力雖然重要，但是節(jié)點(diǎn)部位對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性尤為重要。其中最重要的節(jié)點(diǎn)部位就是梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)，這兩種節(jié)點(diǎn)若有一個(gè)出現(xiàn)問題，將會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成很大的損失，所以在設(shè)計(jì)中對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式的選擇和構(gòu)造處理方法尤為重要。但多年來人們對(duì)梁柱的節(jié)點(diǎn)連接比較重視，而對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)連接形式及構(gòu)造重視不足。因此，我們要對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)形式的選用和設(shè)計(jì)原則有個(gè)概念性的

3、把握。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的柱腳而言，不是指柱構(gòu)件下端，而是指最下層柱構(gòu)件的下端和基礎(chǔ)混凝土的連接部分。柱腳是將最下層柱下端所受的軸力、彎矩、剪力有效地傳遞給基礎(chǔ)。柱的柱的下端的作用是固定在底座上，和內(nèi)力軸傳遞到基礎(chǔ)。根據(jù)應(yīng)力性能列的不同可分為剛接和鉸接。一般來說，多鉸柱軸壓柱，承受軸向力和剪切力，并與多個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)偏心受壓柱，承受軸向力，剪力和彎矩。其中，剛性節(jié)點(diǎn)可以采用嵌入式，外包，暴露，埋葬了整個(gè)組件的類型被稱為插入式；鉸接塔可以實(shí)現(xiàn)外包的形式暴露。根據(jù)不同的方法，嵌入式結(jié)構(gòu)，外包是鑄造；暴露，插接式組裝式。本文將對(duì)埋入式、外露式和外包式及插入式的特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行詳細(xì)論述。二、埋入式柱截面鋼柱底是相

4、當(dāng)于一個(gè)高度掩埋的剛度較大的地下室墻體或基礎(chǔ)梁混凝土的兩倍長，周圍的鋼筋混凝土。埋入式柱腳一般有兩種形式，一種是第一鋼柱組件固定，在澆注鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁；另一個(gè)是保留在混凝土地基梁鋼柱孔，后安裝鋼柱，再澆灌混凝土( 圖 1) 。圖 1 埋入式柱腳構(gòu)造（一）特點(diǎn) 埋入式柱腳，和其他兩種柱腳形式相比固定度較高，承載力的確保比較容易。如果將鋼柱設(shè)計(jì)成先行屈服，其恢復(fù)力特性呈現(xiàn)穩(wěn)定的完全彈塑性。其缺點(diǎn)，是埋入式柱腳埋入基礎(chǔ)中的鋼柱長度要增加，并且基礎(chǔ)梁的寬度內(nèi)的主筋不能與插入的鋼柱相交而擴(kuò)展或彎曲成斜筋等。另外，必須在基礎(chǔ)梁配筋之前先行設(shè)置鋼柱腳，所以鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的交貨日期也要提前。（二）受力分析1、軸

5、力在柱子承受的總軸力中一部分由柱翼緣( nf)承擔(dān)，其余部分傳給混凝土。由混凝土承擔(dān)的軸力按下述方式傳遞: 柱的軸向壓力，由柱腳底板傳給其下混凝土，由混凝土對(duì)柱底板的承壓力(npn) 抵抗;柱的軸向拉力，則是通過柱腳底板懸出部分傳給其上方的混凝土基礎(chǔ)，由混凝土的承壓力( npn) 抵抗，或通過錨栓與混凝土的粘結(jié)力直接傳給基礎(chǔ)(nbv) 。軸力傳遞路徑如圖 2 所示。圖 2 埋入式軸力2、彎矩埋入式柱腳通過混凝土對(duì)鋼柱的承壓力傳遞彎矩?，F(xiàn)存在兩種彎矩的傳力機(jī)制: 一種是將彎矩考慮為等效軸力 nm，并作用于翼緣。柱子的軸心壓力n 由整個(gè)柱身截面承受，并認(rèn)為 nm與 n 之和的 1/3由整個(gè)截面?zhèn)鹘o

6、底板，由底板承受，其余 2/3 由埋入段柱身表面栓釘與混凝土的粘結(jié)力傳給混凝土基礎(chǔ); 另一種認(rèn)為全部彎矩由柱翼緣傳給混凝土，由混凝土的承壓力來傳遞荷載( 圖 3) 。這兩種傳力機(jī)制的區(qū)別在于，前者栓釘起到重要作用，彎矩是通過栓釘?shù)目辜魝鹘o混凝土的，此時(shí)栓釘?shù)目辜舫休d力驗(yàn)算及其與混凝土的粘結(jié)力顯得尤為重要，這種機(jī)制適用于小偏壓狀態(tài); 后者認(rèn)為彎矩由柱翼緣的承壓直接傳給混凝土，此時(shí)要進(jìn)行混凝土的抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。雖然栓釘在這種傳力機(jī)制下作用不明顯，但為了保證柱腳的整體性，仍應(yīng)設(shè)置栓釘。這種機(jī)制適用于大偏壓狀態(tài)。圖 3 埋入式彎矩對(duì)比彎矩的兩種傳力機(jī)制，將它們進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表 1。表 1 埋入式柱

7、腳彎矩的兩種傳力機(jī)制3、剪力 通過法蘭與基礎(chǔ)或基礎(chǔ)梁混凝土支承壓力傳遞剪力柱水平。通過對(duì)混凝土柱腹板加勁肋和傳遞上部柱在鋼柱的軸向加勁壓力，平衡。水平剪力在梁基礎(chǔ)梁的軸力，柱的作用力，在周圍的混凝土應(yīng)力狀態(tài)是非常有利于錨固鋼柱。（三）設(shè)計(jì)原則1、由于鋼柱的存在使基礎(chǔ)梁上皮鋼筋不好貫通，所以要在鋼柱埋入部分的頂部對(duì)應(yīng)部位設(shè)置腹板和加勁肋，翼緣外側(cè)焊接鋼板。2、考慮鋼柱與混凝土的粘結(jié)，為防止埋入部分和周圍混凝土有較大的分離，可在埋入部分焊上栓釘。3、鋼柱周圍的混凝土地梁的鋼筋要加密，以防止在往復(fù)的地震荷載作用下發(fā)生混凝土的壓碎。4、邊柱和角柱柱腳周邊的混凝土，受到柱底部的彎矩和剪力的作用，產(chǎn)生很大

8、壓力，為防止沖切破壞，要保證有足夠的混凝土外包層厚度，一般不小于250 mm。而中柱此問題不大，一般不小于 180 mm。三、插入式基礎(chǔ)上留杯口，將柱插入，在鋼柱與基礎(chǔ)杯口之間通過澆筑細(xì)石混凝土固定鋼柱，當(dāng)柱在荷載組合下出現(xiàn)拉力時(shí)，可采用預(yù)埋錨栓或柱翼緣設(shè)置焊釘?shù)确椒? 圖 4) 。插入式為埋入式的整體裝配式。傳力方面，與埋入式中的大偏壓類似，由混凝土的承壓力將荷載傳遞給基礎(chǔ)。圖 4 插入式柱腳構(gòu)造及受力（1） 特點(diǎn) 柱腳板件少，制作簡單，焊接工作量小，且焊接要求低，構(gòu)造簡單，便于安裝和施工，解決了現(xiàn)澆式柱腳施工難度大、工序多的弊病。但其可靠性不如現(xiàn)澆式。（2） 設(shè)計(jì)原則 鋼柱在基礎(chǔ)杯口上方

9、70 120 mm高度處應(yīng)設(shè)腹板加勁肋; 鋼柱翼緣與基礎(chǔ)杯口側(cè)面的距離為 30 100 mm; 鋼柱底板與基礎(chǔ)杯口底面的距離為 30 70 mm; 鋼柱插入杯口的深度不小于1. 5 h 及 l /20( h 為柱截面高度，l 為鋼柱長度) 。四、外露式將柱底部與相對(duì)剛度較大的底板焊接連接，底板用預(yù)埋在混凝土基礎(chǔ)中的錨栓固定( 圖 5，6) 。圖 5 外露式柱腳構(gòu)造圖 6 剛接外露式柱腳（一）特點(diǎn) 外露式柱腳是通過錨栓將柱腳底板連同柱構(gòu)件的下端和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)相連接形成的柱腳。這種柱腳在混凝土基礎(chǔ)中首先預(yù)埋錨栓，主要是因?yàn)橹涌梢栽诨炷吝_(dá)到強(qiáng)度后再吊裝，基礎(chǔ)梁的配筋等施工作業(yè)和鋼柱的吊裝可以

10、分別進(jìn)行，所以外露式柱腳有施工簡單并且能有效縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。除高層建筑外，大部分中小規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)都利用此優(yōu)點(diǎn)而采用外露式柱腳。但此柱腳的剛度和承載力等力學(xué)性能比其他柱腳形式偏低。多層鋼結(jié)構(gòu)住宅柱腳不宜采用這種柱腳，因?yàn)檫@種柱腳的抗震性能欠佳。外露式柱腳主要承受彎矩、剪力、和軸力，一般錨栓承受拉力，壓力由柱腳底板和混凝土基礎(chǔ)的接觸面?zhèn)鬟f，剪力不能由錨栓承擔(dān)，而由底板和基礎(chǔ)接觸面的摩擦力傳遞，如果摩擦力不足可以通過設(shè)置抗剪鍵的方式來承擔(dān)柱底的剪力。（二）受力分析1、軸力 柱身傳來的壓力首先經(jīng)過柱身和底板間的四條焊縫傳給底板，再由底板把壓力傳給混凝土基礎(chǔ)。因?yàn)榈装迮c混凝土之間不能承受拉力，當(dāng)?shù)装宄霈F(xiàn)

11、拉力時(shí)，由嵌固在基礎(chǔ)中的錨栓來承擔(dān)。2) 剪力 鉸接型的剪力主要由柱腳底板與其下部的混凝土之間的摩擦力來承擔(dān)，過大的剪力也由抗剪鍵來承擔(dān)。一般不利用錨栓來承受剪力。3) 彎矩 由柱底板直接傳給基礎(chǔ)，通過混凝土的承壓抵抗; 由彎矩產(chǎn)生的拉力通過錨栓的受拉抵抗。（三）設(shè)計(jì)原則1，由于混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鋼，所以必須在柱腳加一個(gè)較大的板塊，增加接觸面積的基礎(chǔ)上的抗壓強(qiáng)度，使底座的頂面設(shè)計(jì)的壓應(yīng)力不大于混凝土的價(jià)值。底部的厚度一般不應(yīng)小于20毫米，且不應(yīng)小于鋼柱翼緣厚度。通過計(jì)算地板尺寸確定。2，剛性錨栓承受底張力，因此應(yīng)根據(jù)錨栓直徑計(jì)算確定，且不應(yīng)小于24毫米，必須有足夠的埋深以保證有足夠的粘結(jié)力，錨

12、桿和混凝土之間的張力，使不被拉出。3，錨桿的鉸鏈柱不能承受水平剪力，與底板和混凝土有限之間的摩擦，所以如果剪力和柱軸力偏大（0.3倍以上）應(yīng)設(shè)置抗剪鍵。4，為了便于安裝在底板上的地腳螺栓孔調(diào)整，螺栓桿直徑應(yīng)大于0.2 0.5倍，或做成u型缺口，將安裝到位，底板與底板焊接固定。由于底部孔較大，應(yīng)設(shè)置地腳螺栓螺母板，并采用雙螺母。5，鉸鏈柱不承受彎矩，地腳螺栓安裝在法蘭內(nèi)，一般兩或4；剛性錨栓應(yīng)設(shè)置在法蘭外側(cè)，一般超過4，而且還應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)柱剛度。負(fù)載大，嵌入的要求較高，應(yīng)加支架（圖5）。6，為了保證柱的承載力，柱翼緣和底板應(yīng)全熔透坡口對(duì)接焊縫連接。五、外包式將鋼柱直接置于地下室墻或基礎(chǔ)梁頂

13、面，并在鋼柱底部相當(dāng)于柱子截面高度 2. 5 3 倍范圍內(nèi)，用鋼筋混凝土包裹(圖7) 。圖 7 外包式柱腳構(gòu)造（一）特點(diǎn) 外包式柱腳，是在鋼柱底部的外側(cè)用鋼筋混凝土包裹起來，其截面的構(gòu)成為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)并且與非埋入式柱腳相同。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)柱沒有必要預(yù)先埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)所以其施工性較好，柱腳的固定性也高。但由于外包部分的截面變大樓面的有效面積減少，且受裝修上的影響，采用此種形式的建筑物的用途會(huì)有限制。工廠、倉庫、停車場等為防止車輛、叉車碰撞時(shí)，對(duì)柱進(jìn)行保護(hù)而采用外包式柱腳。此外，屋外受雨淋的柱構(gòu)件或地面使用水的建筑的柱構(gòu)件進(jìn)行外包后可以期待其防銹作用。（二）傳力 外包式柱腳的傳力機(jī)制與埋入式相似。

14、在外包式柱腳中，栓釘起重要的傳力作用，這種柱腳的力學(xué)行為主要由外包鋼筋混凝土的力學(xué)行為決定(圖8）。圖 8 外包式傳力簡圖1、軸力 軸向壓力，由柱腳底板傳給混凝土; 軸向拉力則是通過柱腳底板懸出部分將其上混凝土的反向壓力傳給混凝土基礎(chǔ)，或通過錨栓、外包垂直縱向主筋與混凝土的粘結(jié)力直接傳給基礎(chǔ)。其中一部分由縱向主筋承擔(dān)，由于布置了栓釘，必然有一部分軸力傳到混凝土上，因此鋼柱在外包鋼筋混凝土高度范圍內(nèi)的軸力向下逐漸減小，而鋼筋混凝土承擔(dān)的軸力逐漸增大。2、彎矩 柱腳頂部彎矩由柱兩側(cè)翼緣的受拉、受壓來平衡，翼緣由此承受的軸向力有一部分又通過栓釘?shù)目辜魝鹘o外包的鋼筋混凝土，再傳給鋼筋混凝土基礎(chǔ)或基礎(chǔ)梁

15、。因此，柱腳外包部分的彎矩由兩部分平衡: 柱腳兩側(cè)翼緣的軸向力及外包混凝土的受力。兩者所承受的彎矩要按照各自的抗彎剛度進(jìn)行分配: 由于鋼筋混凝土在鋼柱外圍，其截面慣性矩大于鋼柱，因此外包鋼筋混凝土的抗彎剛度大于鋼柱的抗彎剛度。所以在外包部分鋼柱彎矩下降，外包混凝土彎矩上升，并且彎矩大部分由外包混凝土承擔(dān)。由于柱腳底部近似于鉸接，所以近似認(rèn)為在柱腳底部彎矩全部由混凝土承擔(dān)。3、 剪力 主要由外包鋼筋混凝土和箍筋共同承擔(dān)，即由腹板承受剪力，通過栓釘?shù)目辜艏爸_周圍的箍筋傳給外包混凝土及其中的主筋，再傳給基礎(chǔ)。在柱腳外包部分，鋼柱承擔(dān)的彎矩是下降的，而剪力是彎矩的導(dǎo)數(shù)，因此剪力在外包部分是反號(hào)的，即

16、鋼柱在外包部分承受反向剪力。（三）設(shè)計(jì)原則1、外包式柱腳的設(shè)計(jì)，將軸力通過鋼柱腳部的底板傳給基礎(chǔ)；彎矩和剪切力通過外包式構(gòu)件混凝土部分來傳遞。計(jì)算其最大彎矩承載力時(shí)，可以將鋼柱腳部的負(fù)擔(dān)承載力加上去。2、外包式柱腳的高度，大于鋼柱截面高度的 2.5倍，并且 l/d>=1。這里 l 為從底板下側(cè)至外包式鋼筋混凝土的最上側(cè)箍筋為止的距離，d 為從壓縮 i 壓縮邊線至鋼筋的重心距離。3、外包鋼筋混凝土縱向主筋的錨固長度大于 25d（d 為異形鋼筋的公稱直徑），頂部需設(shè)彎鉤。外包鋼筋混凝土的主筋必須充分錨入基礎(chǔ)或者基礎(chǔ)梁內(nèi)。4、外包鋼筋混凝土部分，至少應(yīng)設(shè)置與一般鋼筋混凝土柱同等配置的剪切補(bǔ)強(qiáng)筋

17、（箍筋）。其箍筋的直徑、間距及箍筋的配筋率的最小值根據(jù)鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，縱向主筋頂部至少配兩道箍筋，其間距30-50mm。5、底板下側(cè)位置為基礎(chǔ)梁的上側(cè)位置，底板及錨板按外露式柱腳設(shè)計(jì)。6、柱子若采用中空截面鋼管時(shí)應(yīng)注意確保鋼管壁不發(fā)生局部變形而進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡管，混凝土外包部分的柱外側(cè)焊接了栓釘，因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)中證實(shí)了其承載力和變形能力的上升很小，可以忽視其效果。6、 適用范圍 一般情況下，外露式柱腳一般用于傳遞垂直荷載的鉸接柱腳；而對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)或一些大型工業(yè)廠房的柱腳宜采用外包式柱腳或埋入式柱腳。 鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)非常重要。一般中低層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的基礎(chǔ)都是鋼筋混凝土

18、結(jié)構(gòu)，因此柱腳為兩種不同類型的結(jié)構(gòu)連接部位，地震作用下，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)柱腳的損壞多是由不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和施工引起的，因此我們要足夠重視。對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)和大跨鋼結(jié)構(gòu)，一般宜選用埋入式柱腳。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，要根據(jù)建筑物的類型選擇合理的柱腳連接形式，做好構(gòu)造處理措施。七、結(jié) 論（一）總結(jié)對(duì)比 埋入式柱腳將柱剛度將埋在混凝土中的大型地下室或基礎(chǔ)梁，使鋼柱的底部和易于滿足形成塑性鉸的要求，扎實(shí)的埋入式柱腳的容易保證剛度，并具有良好的抗震性能。但由于施工應(yīng)預(yù)留孔的基礎(chǔ)上，具有一定難度的施工技術(shù)。列可用于抗震性和大的結(jié)構(gòu)剛度的要求。 用于裝配鑄式柱插入，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，節(jié)省鋼材等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)剛度。插入列的剛度，而且還解決了埋入式柱腳施工難度大的缺點(diǎn)，多程序。一個(gè)單一的植物，特別是鋼柱鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換層型鋼，使用插件要比埋顯著優(yōu)勢，外包工作的協(xié)調(diào)，進(jìn)度，施工方面，值得推廣。但其可靠性，嵌入式，推薦用于單層廠房，不適合高層鋼結(jié)構(gòu)。 雖然有型鋼混凝土柱基礎(chǔ)包，但由于柱底座和底座通過深埋鋼筋和錨栓連接，并與鋼柱和更多的形式。由于混凝土保護(hù)外包限制厚度使柱及基礎(chǔ)嵌入嵌固。但是，施工簡單嵌入式。 暴露的柱基與柱底座的另兩種，現(xiàn)場安裝方便，定位是在建筑方面的優(yōu)勢。但由于地板的尺寸