鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)與研究綜述

孫家剛

（沈陽(yáng)市熱力工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

摘　要：我國(guó)目前在鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)的方法上也有著多種不同的形式，按照基本構(gòu)造、優(yōu)缺點(diǎn)以及相關(guān)的計(jì)算過(guò)程，鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)也要做出相應(yīng)的規(guī)范，因此其中也存在著一定的難點(diǎn)。主要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，同時(shí)也詳細(xì)論述了具體的設(shè)計(jì)方法，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋼柱腳；外露式柱腳；埋入式柱腳；外包式柱腳；有限元模擬

現(xiàn)如今在鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)規(guī)范上依然不夠完善，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)柱腳相關(guān)內(nèi)容的研究也相對(duì)較少，在這樣的情況下，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就需要進(jìn)行一些人為的假定，而設(shè)計(jì)的模型通常也較為簡(jiǎn)化，鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)也就會(huì)按照設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路為標(biāo)準(zhǔn)，這樣也很難形成統(tǒng)一，如果設(shè)計(jì)的內(nèi)容過(guò)于保守，那么也就會(huì)帶來(lái)很大程度的浪費(fèi)。

1　柱腳的形式以及具體的設(shè)計(jì)要求

鋼結(jié)構(gòu)柱腳的結(jié)構(gòu)中通常會(huì)分為鉸接柱腳以及剛接柱腳兩種類型，其中第一種可以進(jìn)行水平力和垂直力的傳遞，而第二種不僅具有鉸接柱腳的特點(diǎn)，同時(shí)還有著傳遞彎矩的功能。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，剛性柱腳又可以分為外露式柱腳、埋入式柱腳以及外包式柱腳三種不同的形式。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的基本要求來(lái)對(duì)受力情況進(jìn)行分析，并且結(jié)合工程的實(shí)際情況來(lái)選擇最佳的柱腳形式，這樣也才能夠最大限度的保證工程的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1　外露式柱腳

這種形式的柱腳主要是將鋼柱用錨栓固定在混凝土基礎(chǔ)表面的柱腳，柱腳的結(jié)構(gòu)包括了底板、加勁肋以及錨栓和錨栓支撐托座等，其中每個(gè)部分都有著各自不同的功能，而采用這種形式的柱腳在施工時(shí)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，并且其作用效果也非常明顯。采用外露式剛性固定柱腳時(shí)，計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)容中主要包括了以下幾方面內(nèi)容：首先，錨栓的手拉驗(yàn)算和底板厚度的計(jì)算是非常重要的部分，也是計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)容中首先要進(jìn)行的關(guān)鍵步驟。其次對(duì)于假定混凝土彈性、底板剛性的平截面偏心壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，外露式柱腳的混凝土壓力區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算也是必須要計(jì)算的內(nèi)容。采用外露式柱腳時(shí)，我們需要對(duì)外露式柱腳的每部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，這樣也可以保證達(dá)到最佳設(shè)計(jì)要求。目前外露式柱腳有著構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便等多方面特點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用也相對(duì)較為廣泛，特別是在一些對(duì)抗震性能較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑中也有著非常廣泛的應(yīng)用。然而這種結(jié)構(gòu)也有著一定的缺點(diǎn)，比如剛接柱腳的尺寸較大，在處理上存在著很大的困難，并且施工時(shí)也會(huì)存在著一定程度的誤差。

1.2　埋入式柱腳

這種形式的柱腳主要是以一定深度埋在混凝土基礎(chǔ)中的柱腳為基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。其中主要包括了底板、栓釘、錨栓等幾個(gè)部分，其中柱腳的錨栓通常不會(huì)承受底部的水平力，而埋深較小的柱腳是底板的摩擦力以及抗剪鍵來(lái)進(jìn)行抗剪的。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)考慮到埋入式柱腳手里的特點(diǎn)，并且按照相應(yīng)的要求來(lái)做好其抗震性能，但這種形式的柱腳通常會(huì)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工的工期長(zhǎng)等問(wèn)題。

埋入式柱腳的計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：底板厚度驗(yàn)算；栓釘焊接計(jì)算；埋入深度要求；埋入鋼柱受壓側(cè)的基礎(chǔ)混凝土的受壓應(yīng)力驗(yàn)算；埋入鋼柱四周的基礎(chǔ)混凝土鋼筋配置驗(yàn)算等。由于埋入式柱腳內(nèi)力傳遞比較復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了比較多的假定，如假定軸力由底板直接傳遞給基礎(chǔ)，彎矩主要由栓釘傳遞或鋼柱與混凝土之間的承壓力傳遞，剪力主要由鋼柱與混凝土的承壓力傳遞，主筋進(jìn)行計(jì)算時(shí)不考慮鋼柱承擔(dān)的彎矩等。

埋入式柱腳由于其抗震性能好，剛接程度高，在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用較多，特別是對(duì)一些特大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，如北京奧運(yùn)場(chǎng)館“鳥巢”等，基本上都是采用埋入式柱腳。

1.3　外包式柱腳

外包式柱腳是在鋼柱腳外面包以鋼筋混凝土的柱腳?；緲?gòu)造是鋼柱底板與外包混凝土平齊，外包混凝土配有主筋和箍筋，頂部箍筋集中配置，鋼柱的外包部分設(shè)有栓釘。外包式柱腳的構(gòu)造方式?jīng)Q定了外包式柱腳具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，不影響基礎(chǔ)鋼筋布置的優(yōu)點(diǎn)，但由于其傳力機(jī)制比較復(fù)雜，現(xiàn)有計(jì)算體系不嚴(yán)格。

外包式柱腳的計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：底板厚度驗(yàn)算、栓釘焊接計(jì)算、外包高度要求、包腳部分的鋼筋配置驗(yàn)算，包腳部分的剪力驗(yàn)算。由于外包式柱腳傳力機(jī)制很復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了比較多的假定，如假定軸力由底板直接傳遞給基礎(chǔ)，彎矩主要由栓釘傳遞給外包混凝土再傳給基礎(chǔ)，剪力主要由包腳混凝土與水平箍筋共同承擔(dān)，主筋進(jìn)行計(jì)算時(shí)不考慮鋼柱承擔(dān)的彎矩等。

綜合目前國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼柱腳的研究，從這些公開發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，所進(jìn)行的研究多數(shù)針對(duì)的是適合低層鋼結(jié)構(gòu)的外露式柱腳，而對(duì)于埋入式和外包式柱腳的研究很少，雖然總體來(lái)看對(duì)柱腳做了不少試驗(yàn)以及理論研究，但研究也基本上是針對(duì)某一種類型的特定柱腳和從試驗(yàn)中得到一些有益的總結(jié)，無(wú)法大面積的應(yīng)用推廣，其中關(guān)于柱腳分析計(jì)算的研究也甚少。

2　結(jié)論與進(jìn)一步研究方向

可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際柱腳連接的受力性能很難用簡(jiǎn)單的理論來(lái)進(jìn)行精確描述，即使通過(guò)試驗(yàn)，由于受一些條件限制，如不同的結(jié)構(gòu)柱腳形式和尺寸是不同的，其柱腳組成構(gòu)件的設(shè)置也沒(méi)有規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)對(duì)于有不同構(gòu)件的柱腳，其受力的情況也是相差較大的等，這樣就無(wú)法提供足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

因此柱腳研究還需要做大量的工作：

a.綜合國(guó)內(nèi)柱腳的設(shè)計(jì)方法可以看到，很多設(shè)計(jì)方法采用了比較多的假定和一些經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造措施，這就要求柱腳的理論研究還需要更加深入，需要既能方便實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)理論上又能嚴(yán)格推導(dǎo)的理論設(shè)計(jì)方法。

b.由于規(guī)范涉及柱腳的內(nèi)容較少且不夠詳細(xì)，對(duì)于柱腳的各個(gè)構(gòu)件也沒(méi)有規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，使得柱腳設(shè)計(jì)是因人而異，因此，柱腳研究中標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的工作是不可或缺的，包括設(shè)計(jì)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，柱腳各構(gòu)件的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，這將從設(shè)計(jì)到施工產(chǎn)生較大的綜合效益。

c.雖然現(xiàn)階段對(duì)柱腳有不少試驗(yàn)研究，但基本上是針對(duì)某一種類型的柱腳，而柱腳由于其復(fù)雜性決定了需要系統(tǒng)性的研究，所以近年來(lái)開始采用試驗(yàn)+有限元模擬來(lái)分析柱腳節(jié)點(diǎn)，用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證有限元模型的有效性，通過(guò)有限元可以模擬較為復(fù)雜的柱腳情況，較精確的顯示出柱腳的受力性能及變形情況。因此，柱腳的分析計(jì)算方法研究應(yīng)該受到重視。

結(jié)束語(yǔ)

綜合我國(guó)現(xiàn)階段鋼柱腳的設(shè)計(jì)與研究，鋼柱腳將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面有著較大影響，針對(duì)它的形式、理論、試驗(yàn)等研究還應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行，能直接應(yīng)用于實(shí)際工程的具體量化設(shè)計(jì)方法還需進(jìn)一步的研究。隨著鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的大規(guī)模應(yīng)用，鋼柱腳的設(shè)計(jì)研究將趨于保證安全的前提下更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

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