钢结构刚性固定钢柱脚设计方法的总结

一、钢柱柱脚形式的分类

刚性固定柱脚：

1）埋入式柱脚；

2）外包式柱脚；

3）插入式柱脚；

铰接柱脚：

外露式柱脚；

二、埋入式柱脚

2.1、基本概念：

所谓埋入式柱脚是指将钢柱底端直接埋入混凝土基础筏板、地基梁或地下室墙体内的一种刚性连接的柱脚。其特点是埋入相对自身绝对刚性的基础中而形成刚性固定柱脚节点。这种柱脚构造可靠，常用于高层钢结构框架柱的柱脚。

2.2、埋入式柱脚的受力特点

（1）柱的轴向压力N，由钢柱的柱脚底板直接传递给钢筋混凝土基础；柱的轴向拉力，则是通过柱脚底板悬出部分将其上部混凝土的反向压力传递给基础，或经由锚栓（底脚螺栓）直接传给基础。

（2）柱的弯矩M有两种传递方式：

a、均由H型钢柱翼缘上的抗剪圆柱头焊钉传递给基础，在实际工程设计中大多采用该方法。（也有研究说：该形式的柱脚中栓钉的作用不大，内力的传递主要是下述方式。）

b、依靠钢筋混凝土对钢柱翼缘的侧向承压力所产生的抵抗拒来传递给基础。

（3）柱脚顶部的水平剪力V由钢柱翼缘与基础混凝土侧向承压力来传递。

由于目前还没有能力考虑的有利因素如下：

（4）钢柱翼缘与基础混凝土在侧向承压应力状态下，由于钢柱翼缘与混凝土摩擦而产生的抵抗力，设计时不考虑。

（5）钢柱翼缘与基础混凝土之间的粘结作用设计时不考虑。

（6）在确定埋入钢柱周边对称配置的垂直纵向钢筋面积时，不考虑由钢柱承担的弯矩。

埋入式柱脚的埋深与构造示意图如下：

2.3、埋入式柱脚一般构造要求及部分细部设计计算

2.3.1、埋入式柱脚的钢柱埋入基础的深度一般可以在以下范围内采用（hc为钢柱截面的高度或管径）：

a、轻型工字钢截面柱： H=（2.0~2.5）hc；

b、圆管形截面柱和箱型截面钢柱：H=（2.5~3.0）hc。

2.3.2、埋入式柱脚，在钢柱埋入部分的顶部，应设置水平加劲肋或横隔板；对H型截面柱，其水平加劲肋外伸宽度的宽厚比应不大于9（235/fay）½，对于箱型截面柱，其内部横隔板的宽厚比应不大于30（235/fay）½，

2.3.3、埋入式柱脚在钢柱的埋入部分，应设置圆柱头抗剪栓钉，栓钉的数量和布置，应按计算要求确定。H型截面柱强轴左右两侧的翼缘、箱型截面柱两轴的每侧、圆管形截面柱两轴的每侧（90度扇面），其栓钉数目不宜小于8φ16，栓钉水平和竖向中心距均不应大于200mm，栓钉竖向中心距不宜小于6d，横向间距不宜小于4d，栓钉外表面至钢柱翼缘侧边的距离不应小于20mm；栓钉的直径不应小于φ16（常用φ19），栓钉长度宜取4~6倍栓钉直径。

2.3.4、埋入式柱脚钢柱脚底板的长和宽，按柱的轴力根据下式计算确定，同时应满足构造要求；N / (L*B) fc (N为柱轴力，fc为混凝土轴心抗压强度设计值)；一般钢柱脚底板的厚度不小于钢柱较厚板件厚度，且不小于20mm，同时应符合下式要求：t≥(6Mmax/f) ½.（式中，Mmax根据钢柱脚底板与基础间的压应力和钢柱脚底板的支承条件所确定的柱脚底板的最大弯矩。）

2.3.5、钢柱脚底板当需要锚栓固定时，锚栓的锚固深度应不小于25d；锚栓一般仅作安装固定之用。

2.3.6、钢柱脚埋入部分的外围混凝土内应配置竖向钢筋以形成暗柱，暗柱截面可为钢柱边长加300mm，其配筋率应不小于0.2%，竖向钢筋沿周边的间距应不大于200mm，四根角筋的直径应不小于φ20，每边中间的附加钢筋应不小于φ16，箍筋一般取φ10@100，靠近基础顶面应增设三道φ12@50加强箍筋，竖向钢筋应锚入柱脚底板下不少于35d。

柱脚一侧竖向钢筋（主筋）的截面面积As应按下式验算：

As = M / (d*fsy) ;        M=M1+V*h

式中： M 作用于钢柱柱脚底部的弯矩设计值；

M1  作用于钢柱埋入处顶部的弯矩设计值；

V   作用于钢柱埋入处顶部的水平剪力设计值；

h   钢柱的埋深；

d   受拉侧与受压侧竖向钢筋合力点间的距离；

fsy  钢筋的抗拉强度设计值；

三、外包式柱脚

3.1、基本概念：

所谓外包式柱脚是指将钢柱底板放置基础面上，再由基础伸出钢筋混凝土短柱将钢柱柱脚浇筑包裹住成为一个整体。如下图所示：

3.2、外包式柱脚的受力特点

（1）柱的轴向压力N，由钢柱的柱脚底板直接传递给钢筋混凝土基础；柱的轴向拉力，则是通过柱脚底板悬出部分和锚栓传给基础。

（2）柱的弯矩由钢柱翼缘的栓钉传递给包脚钢筋混凝土短柱，并由钢筋混凝土短柱传递至基础。因此，在外包式柱脚中栓钉起着重要的传力作用。同时，短柱配筋由弯矩的大小决定，但是在计算短柱垂直纵向主筋的配置时，不考虑钢柱承担的内力。

（3）包脚处顶部的水平剪力由包脚混凝土和短柱箍筋共同承担。栓钉起着重要的传力作用。

3.3、外包式柱脚一般构造要求及部分细部设计计算

3.3.1、钢柱柱脚外包混凝土短柱的高度一般可以在以下范围内采用（hc为钢柱截面的高度或管径）：

a、轻型工字钢截面柱： H=（2.0~2.5）hc；

b、圆管形截面柱和箱型截面钢柱：H=（2.5~3.0）hc。

3.3.2、外包式柱脚钢柱在短柱的顶部，同样应设置水平加劲肋或横隔板；对H型截面柱，其水平加劲肋外伸宽度的宽厚比应不大于9（235/fay）½，对于箱型截面柱，其内部横隔板的宽厚比应不大于30（235/fay）½，

3.3.3、外包式柱脚钢柱在混凝土短柱部分，应设置圆柱头抗剪栓钉，栓钉的数量和布置，应按计算要求确定。H型截面柱强轴左右两侧的翼缘、箱型截面柱两轴的每侧、圆管形截面柱两轴的每侧（90度扇面），其栓钉数目不宜小于8φ16，栓钉水平和竖向中心距均不应大于200mm，栓钉竖向中心距不宜小于6d，横向间距不宜小于4d，栓钉外表面至钢柱翼缘侧边的距离不应小于20mm；栓钉的直径不应小于φ16（常用φ19），栓钉长度宜取4~6倍栓钉直径。

栓钉数量计算公式如下：

    n≥Nf/Nv ;     Nf=M/hc;   Nv=0.43As(Ec*fc) ½ ≤0.7As*γ*f;

上式中各符号的含义：

n 理论计算所需栓钉最少数量;

Nf 由于弯矩M的作用，在混凝土内部钢柱单侧翼缘产生的轴向压（拉）力；

M 作用于钢柱包脚顶部的弯矩；

hc 包脚钢柱的截面高度；

Nv 一个圆柱头焊接栓钉受剪承载力设计值；

As 一个圆柱头栓钉截面面积；

Ec 混凝土的弹性模量；

fc  混凝土的轴心抗压强度设计值；

f   栓钉所用材料的抗拉强度设计值；

3.3.4、外包式柱脚钢柱脚底板的长和宽，按柱的轴力根据下式计算确定，同时应满足构造要求；N / (L*B) fc (N为柱轴力，fc为混凝土轴心抗压强度设计值)；一般钢柱脚底板的厚度不小于钢柱较厚板件厚度，且不小于20mm，同时应符合下式要求：t≥(6Mmax/f) ½.（式中，Mmax根据钢柱脚底板与基础间的压应力和钢柱脚底板的支承条件所确定的柱脚底板的最大弯矩。）

3.3.5、钢柱脚底板固定锚栓一般仅作安装固定之用，锚栓的锚固深度应不小于25d。

3.3.6、外包式钢柱脚翼缘外侧混凝土保护层的厚度不应小于200mm，短柱的截面可为钢柱边长加200mm，其配筋率应不小于0.2%，竖向钢筋沿周边的间距应不大于200mm，四根角筋的直径应不小于φ20，每边中间的附加钢筋应不小于φ16，箍筋一般取φ10@100，靠近基础顶面应增设三道φ12@50加强箍筋，竖向钢筋应锚入柱脚底板下不少于35d。

柱脚一侧竖向钢筋（主筋）的截面面积As应按下式验算：

As = M / (d*fsy) ;       M=M1+V*h

式中： M 作用于钢柱柱脚底部的弯矩设计值；

M1  作用于钢柱埋入处顶部的弯矩设计值；

V   作用于钢柱埋入处顶部的水平剪力设计值；

h   钢柱的埋深；

d   受拉侧与受压侧竖向钢筋合力点间的距离；

fsy  钢筋的抗拉强度设计值；

四、插入式柱脚

4.1、基本概念：

所谓插入式柱脚是指将钢柱脚插入混凝土杯口基础内，采用二次浇灌微膨胀细石混凝土固定，其构造简单，节约钢材，安全可靠，施工方便等优点。插入式柱脚一般仅用于单层钢结构工业厂房，不适合高层建筑钢结构。

4.2、插入式柱脚的受力特点

其受力特点同外包式柱脚，仅是施工顺序有别。

4.3、插入式柱脚一般构造要求及部分细部设计计算

除其混凝土杯口构造有别外，其它基本和外包式柱脚相似。

4.4、高杯口基础短柱构造

高杯口基础短柱的纵向钢筋,除满足计算要求外，还应满足下列构造要求：

4.4.1、短柱四角纵向钢筋的直径不宜小于20mm，并延伸至基础底板的钢筋网上。大吨位吊车的双肢柱短柱四角纵向钢筋的直径不宜小于25mm

4.4.2、短柱长边的纵向钢筋，当长边尺寸小于1000mm时，其钢筋直径不应小于12mm，间矩不应大于200mm，当长边尺寸大于或等于1000mm时，其钢筋直径不应小于16mm，间距不应大于200mm，且每隔一米左右伸下一根并作150mm的直钩支承在基础底部的钢筋网上，其余钢筋锚固至基础底板顶面下la处。

4.4.3、短柱短边每隔200mm应配置直径不小于16mm的纵向钢筋，且每边的配筋率不少于0.05%短柱的截面面积。

4.4.4、短柱中的箍筋直径不应小于8mm，间距不应大于150mm；当抗震设防烈度为8度和9度时，箍筋直径不应小于8mm，间距不应大于100mm；在靠近短柱顶面处应增设三道加强箍筋3Φ10@50。

4.4.5、短柱顶面焊接钢筋网：当短柱长边尺寸小于或等于1000mm时，其钢筋直径不应小于12mm；当短柱长边尺寸大于1000mm、小于1500mm时，其钢筋直径不应小于14mm；当短柱长边尺寸大于1500mm、小于2000mm时，其钢筋直径不应小于16mm。

4.4.6、对H型截面钢柱，其插入深度一般可在（2.0~2.5）倍柱截面高范围内采用。实腹式钢柱采用插入式柱脚的埋入深度，不得小于钢柱截面高度的2倍；同时应满足《建筑抗震设计规范》9.2.13条计算式：d≥(6M/bf*fc）½的要求。[式中d——柱脚埋深；M——柱脚全截面屈服时的极限弯矩；bf——柱在受弯方向截面的翼缘宽度；fc——基础混凝土轴心受压强度设计值]

4.4.7、高杯口基础的杯壁厚度t按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007--2002）表8.2.6取值。

4.4.8、钢柱(包括双肢钢柱)与高杯口基础的连接，应符合上述第4.4.6条插入深度的规定。杯壁厚度符合上述第4.4.7条的规定且符合下列条件时,杯壁和短柱配筋，可按上述第4.4.1~4.4.5条的构造要求进行设计。

 （1）、起重机起重量小于或等于75t,轨顶标高小于或等于14m,基本风压小于0.5kPa的工业厂房,且基础短柱的高度不大于5m.；

（2）、起重机起重量大于75t，基本风压大于0.5kPa，且符合下列表达式(对截面短轴而言，钢筋混凝土短柱的刚度大于等于插入钢柱刚度的十倍)：

  E2* I2 / E1* I1≥10 

 式中：

  E1---钢柱的弹性模量；

  I1---钢柱对其截面短轴的惯性矩；

  E2---短柱的钢筋混凝土弹性模量；

  I2---短柱对其截面短轴的惯性矩。

4.4.9、当不符合第4.4.8条构造配筋条件的要求时，钢筋混凝土短柱应按计算要求配筋，其受力侧纵筋单边配筋率应不小于0.2%，箍筋应沿短柱全长加密为@100，箍筋直径不小于φ8（七度以上抗震设防不小于φ10）