鋼結構柱腳分類、特點與適用范圍

1、天 津 大 學 網 絡 教 育 學 院專科畢業(yè)論文題目：鋼結構柱腳分類、特點與適用范圍完成期限：2014年1 月3 日 至 2014年5月5 日學 習 中 心 某某某 年 級 2010級專 業(yè) 某某某某 指 導 教 師 某某某姓 名 某某某 學 號 102000000000摘 要目前，鋼結構建筑發(fā)展迅速。在鋼結構建筑中，構件的承載力雖然重要，但是節(jié)點部位對結構的安全性尤為重要。其中最重要的節(jié)點部位就是梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點，這兩種節(jié)點若有一個出現(xiàn)問題，將會對建筑結構造成很大的損失，所以在設計中對于鋼結構的節(jié)點形式的選擇和構造處理方法尤為重要。本文從鋼結構柱腳的分類形式入手，對不同形式的柱腳進行了分

2、析，分別從受力特點、構造方式等方面進行比較。最后結合選擇柱腳形式時應考慮的各方面因素，給出了選擇鋼結構柱腳形式的建議。關鍵字：鋼結構；外露式柱腳；外包式柱腳；埋入式柱腳鋼結構柱腳分類、特點與適用范圍一、引言 目前，鋼結構建筑發(fā)展迅速。在鋼結構建筑中，構件的承載力雖然重要，但是節(jié)點部位對結構的安全性尤為重要。其中最重要的節(jié)點部位就是梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點，這兩種節(jié)點若有一個出現(xiàn)問題，將會對建筑結構造成很大的損失，所以在設計中對于鋼結構的節(jié)點形式的選擇和構造處理方法尤為重要。但多年來人們對梁柱的節(jié)點連接比較重視，而對柱腳節(jié)點連接形式及構造重視不足。因此，我們要對柱腳節(jié)點形式的選用和設計原則有個概念性的

3、把握。對鋼結構的柱腳而言，不是指柱構件下端，而是指最下層柱構件的下端和基礎混凝土的連接部分。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。柱的柱的下端的作用是固定在底座上，和內力軸傳遞到基礎。根據(jù)應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，并與多個剛性節(jié)點偏心受壓柱，承受軸向力，剪力和彎矩。其中，剛性節(jié)點可以采用嵌入式，外包，暴露，埋葬了整個組件的類型被稱為插入式；鉸接塔可以實現(xiàn)外包的形式暴露。根據(jù)不同的方法，嵌入式結構，外包是鑄造；暴露，插接式組裝式。本文將對埋入式、外露式和外包式及插入式的特點及適用范圍進行詳細論述。二、埋入式柱截面鋼柱底是相

4、當于一個高度掩埋的剛度較大的地下室墻體或基礎梁混凝土的兩倍長，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梁；另一個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 埋入式柱腳構造（一）特點 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。如果將鋼柱設計成先行屈服，其恢復力特性呈現(xiàn)穩(wěn)定的完全彈塑性。其缺點，是埋入式柱腳埋入基礎中的鋼柱長度要增加，并且基礎梁的寬度內的主筋不能與插入的鋼柱相交而擴展或彎曲成斜筋等。另外，必須在基礎梁配筋之前先行設置鋼柱腳，所以鋼結構構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，其余部分傳給混凝土。由混凝土承擔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，由混凝土的承壓力( npn) 抵抗，或通過錨栓與混凝土的粘結力直接傳給基礎(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鋼柱的承壓力傳遞彎矩?，F(xiàn)存在兩種彎矩的傳力機制: 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 由整個柱身截面承受，并認為 nm與 n 之和的 1/3由整個截面?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力傳給混凝土基礎; 另一種認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，此時栓釘?shù)目辜舫休d力驗算及其與混凝土的粘結力顯得尤為重要，這種機制適用于小偏壓狀態(tài); 后者認為彎矩由柱翼緣的承壓直接傳給混凝土，此時要進行混凝土的抗壓強度驗算。雖然栓釘在這種傳力機制下作用不明顯，但為了保證柱腳的整體性，仍應設置栓釘。這種機制適用于大偏壓狀態(tài)。圖 3 埋入式彎矩對比彎矩的兩種傳力機制，將它們進行比較，比較結果見表 1。表 1 埋入式柱

7、腳彎矩的兩種傳力機制3、剪力 通過法蘭與基礎或基礎梁混凝土支承壓力傳遞剪力柱水平。通過對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。水平剪力在梁基礎梁的軸力，柱的作用力，在周圍的混凝土應力狀態(tài)是非常有利于錨固鋼柱。（三）設計原則1、由于鋼柱的存在使基礎梁上皮鋼筋不好貫通，所以要在鋼柱埋入部分的頂部對應部位設置腹板和加勁肋，翼緣外側焊接鋼板。2、考慮鋼柱與混凝土的粘結，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、插入式基礎上留杯口，將柱插入，在鋼柱與基礎杯口之間通過澆筑細石混凝土固定鋼柱，當柱在荷載組合下出現(xiàn)拉力時，可采用預埋錨栓或柱翼緣設置焊釘?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。圖 4 插入式柱腳構造及受力（1） 特點 柱腳板件少，制作簡單，焊接工作量小，且焊接要求低，構造簡單，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） 設計原則 鋼柱在基礎杯口上方

9、70 120 mm高度處應設腹板加勁肋; 鋼柱翼緣與基礎杯口側面的距離為 30 100 mm; 鋼柱底板與基礎杯口底面的距離為 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剛度較大的底板焊接連接，底板用預埋在混凝土基礎中的錨栓固定( 圖 5，6) 。圖 5 外露式柱腳構造圖 6 剛接外露式柱腳（一）特點 外露式柱腳是通過錨栓將柱腳底板連同柱構件的下端和混凝土結構的基礎相連接形成的柱腳。這種柱腳在混凝土基礎中首先預埋錨栓，主要是因為柱子可以在混凝土達到強度后再吊裝，基礎梁的配筋等施工作業(yè)和鋼柱的吊裝可以

10、分別進行，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。除高層建筑外，大部分中小規(guī)模的鋼結構都利用此優(yōu)點而采用外露式柱腳。但此柱腳的剛度和承載力等力學性能比其他柱腳形式偏低。多層鋼結構住宅柱腳不宜采用這種柱腳，因為這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的接觸面?zhèn)鬟f，剪力不能由錨栓承擔，而由底板和基礎接觸面的摩擦力傳遞，如果摩擦力不足可以通過設置抗剪鍵的方式來承擔柱底的剪力。（二）受力分析1、軸力 柱身傳來的壓力首先經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。因為底板與混凝土之間不能承受拉力，當?shù)装宄霈F(xiàn)

11、拉力時，由嵌固在基礎中的錨栓來承擔。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，過大的剪力也由抗剪鍵來承擔。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，通過混凝土的承壓抵抗; 由彎矩產生的拉力通過錨栓的受拉抵抗。（三）設計原則1，由于混凝土的強度遠低于鋼，所以必須在柱腳加一個較大的板塊，增加接觸面積的基礎上的抗壓強度，使底座的頂面設計的壓應力不大于混凝土的價值。底部的厚度一般不應小于20毫米，且不應小于鋼柱翼緣厚度。通過計算地板尺寸確定。2，剛性錨栓承受底張力，因此應根據(jù)錨栓直徑計算確定，且不應小于24毫米，必須有足夠的埋深以保證有足夠的粘結力，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）應設置抗剪鍵。4，為了便于安裝在底板上的地腳螺栓孔調整，螺栓桿直徑應大于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，應設置地腳螺栓螺母板，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，一般兩或4；剛性錨栓應設置在法蘭外側，一般超過4，而且還應設置加強筋，加強柱剛度。負載大，嵌入的要求較高，應加支架（圖5）。6，為了保證柱的承載力，柱翼緣和底板應全熔透坡口對接焊縫連接。五、外包式將鋼柱直接置于地下室墻或基礎梁頂

13、面，并在鋼柱底部相當于柱子截面高度 2. 5 3 倍范圍內，用鋼筋混凝土包裹(圖7) 。圖 7 外包式柱腳構造（一）特點 外包式柱腳，是在鋼柱底部的外側用鋼筋混凝土包裹起來，其截面的構成為鋼骨混凝土結構并且與非埋入式柱腳相同。因為鋼結構柱沒有必要預先埋入混凝土基礎內所以其施工性較好，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有限制。工廠、倉庫、停車場等為防止車輛、叉車碰撞時，對柱進行保護而采用外包式柱腳。此外，屋外受雨淋的柱構件或地面使用水的建筑的柱構件進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，這種柱腳的力學行為主要由外包鋼筋混凝土的力學行為決定(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，或通過錨栓、外包垂直縱向主筋與混凝土的粘結力直接傳給基礎。其中一部分由縱向主筋承擔，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的軸力向下逐漸減小，而鋼筋混凝土承擔的軸力逐漸增大。2、彎矩 柱腳頂部彎矩由柱兩側翼緣的受拉、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或基礎梁

15、。因此，柱腳外包部分的彎矩由兩部分平衡: 柱腳兩側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。由于柱腳底部近似于鉸接，所以近似認為在柱腳底部彎矩全部由混凝土承擔。3、 剪力 主要由外包鋼筋混凝土和箍筋共同承擔，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。在柱腳外包部分，鋼柱承擔的彎矩是下降的，而剪力是彎矩的導數(shù)，因此剪力在外包部分是反號的，即

16、鋼柱在外包部分承受反向剪力。（三）設計原則1、外包式柱腳的設計，將軸力通過鋼柱腳部的底板傳給基礎；彎矩和剪切力通過外包式構件混凝土部分來傳遞。計算其最大彎矩承載力時，可以將鋼柱腳部的負擔承載力加上去。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 為從底板下側至外包式鋼筋混凝土的最上側箍筋為止的距離，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），頂部需設彎鉤。外包鋼筋混凝土的主筋必須充分錨入基礎或者基礎梁內。4、外包鋼筋混凝土部分，至少應設置與一般鋼筋混凝土柱同等配置的剪切補強筋

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)鋼筋混凝土設計規(guī)范設計，縱向主筋頂部至少配兩道箍筋，其間距30-50mm。5、底板下側位置為基礎梁的上側位置，底板及錨板按外露式柱腳設計。6、柱子若采用中空截面鋼管時應注意確保鋼管壁不發(fā)生局部變形而進行設計。盡管，混凝土外包部分的柱外側焊接了栓釘，因為從實驗中證實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；而對于高層鋼結構或一些大型工業(yè)廠房的柱腳宜采用外包式柱腳或埋入式柱腳。 鋼結構柱腳的設計和構造措施在整個建筑結構非常重要。一般中低層鋼結構建筑物的基礎都是鋼筋混凝土

18、結構，因此柱腳為兩種不同類型的結構連接部位，地震作用下，大多數(shù)鋼結構柱腳的損壞多是由不適當?shù)脑O計和施工引起的，因此我們要足夠重視。對于高層鋼結構和大跨鋼結構，一般宜選用埋入式柱腳。同時在結構設計當中，要根據(jù)建筑物的類型選擇合理的柱腳連接形式，做好構造處理措施。七、結 論（一）總結對比 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梁，使鋼柱的底部和易于滿足形成塑性鉸的要求，扎實的埋入式柱腳的容易保證剛度，并具有良好的抗震性能。但由于施工應預留孔的基礎上，具有一定難度的施工技術。列可用于抗震性和大的結構剛度的要求。 用于裝配鑄式柱插入，具有結構簡單，安裝方便，節(jié)省鋼材等優(yōu)點，節(jié)點剛度。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，多程序。一個單一的植物，特別是鋼柱鋼筋混凝土轉換層型鋼，使用插件要比埋顯著優(yōu)勢，外包工作的協(xié)調，進度，施工方面，值得推廣。但其可靠性，嵌入式，推薦用于單層廠房，不適合高層鋼結構。 雖然有型鋼混凝土柱基礎包，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。由于混凝土保護外包限制厚度使柱及基礎嵌入嵌固。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