鋼結構柱腳的抗震設計要點分析

鋼結構柱腳的抗震設計要點分析【摘要】柱腳是鋼結構中上部主體結構與基礎連接的重要節(jié)點，本文對鋼結構的埋入式和外包式柱腳的抗震設計進行分析，希望能為相關設計提供參考?！娟P鍵詞】鋼結構柱腳；埋入式；外包式一、引言通常鋼結構的柱腳形式有外包式柱腳，埋入式柱腳及外露式柱腳3種。外包式柱腳指將鋼柱腳外面用鋼筋混凝土包住的柱腳，埋入式柱腳是把鋼柱固定在混凝土的基礎梁上柱腳，而外露式柱腳是在混凝土基礎表面固定鋼柱的柱腳，其也是最常用的鋼結構柱腳。鋼結構柱腳，反力特別大，因此設計規(guī)劃時一般采用固定柱腳。在此類情況下，采用外露式柱腳不僅會導致底板既大又厚，消耗大量鋼材，更重要的是難以確保柱腳被完全固定。外包式柱腳和埋入式柱腳鋼結構固定式柱腳的很好的選擇，通?？拐鹪O計也用這兩類柱腳。二、埋入式柱腳抗震設計埋入式柱腳的特點，是將鋼柱以一定深度埋置在混凝土基礎梁中，埋入部分的鋼柱表面雖然焊有栓釘，但根據(jù)研究，在這種形式的柱腳中栓釘?shù)淖饔貌淮?，?nèi)力的傳遞主要依靠混凝土對鋼柱翼緣的承壓力，柱的軸向壓力可由柱腳底板傳給混凝土,柱的軸向拉力可由柱腳底板伸出部分對混凝土的承壓作用傳給混凝土，或由錨栓傳給基礎。埋入式柱腳的支配因素是埋入深度。試驗表明,對于輕型工字形柱，埋深與柱截面高度之比不得小于2，對于大截面的寬翼緣H形柱和箱形柱，埋深與截面高度之比不得小于3。1.柱腳軸向壓力由柱腳底板直接傳給基礎，按現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010驗算柱腳底板下混凝土的局部承壓，承壓面積為底板面積。2.埋入式柱腳應驗算在軸力和彎矩作用下基礎混凝土的側向抗彎極限承載力，埋入部分鋼柱側向應力分布見圖2.1；埋入式柱腳的極限受彎承載力不應小于鋼柱全塑性抗彎承載力；與極限受彎承載力對應的剪力不應大于鋼柱的全塑性抗剪承載力，驗算公式如下：式中：－－鋼柱腳組合的彎矩設計值；－－柱腳埋入部分承受的極限受彎承載力；－－存在軸力時鋼柱截面的全塑性彎矩，按第8.1.6條的規(guī)定計算。－－基礎頂面到鋼柱反彎點的距離，可取柱底所在層層高的2/3；－－與彎矩作用方向垂直的柱身寬度，對工字形截面柱應取等效寬度；－－鋼柱腳埋置深度；－－基礎混凝土抗壓強度標準值。圖2.1埋入式柱腳混凝土的側向應力分布3.采用鋼管柱時埋入式柱腳的構造要求圖2.2埋入式柱腳的抗壓和抗拔構造截面寬厚比或徑厚比較大（≥33）的箱形柱和鋼管柱，其埋入部分應采取措施防止在混凝土側壓力下被壓壞。常用方法是填充混凝土（圖2.2b），填充高度應稍高于混凝土基礎上表面；或在基礎上端附近設置內(nèi)隔板或外隔板（圖2.2c,d）。隔板的厚度應按計算確定，外隔板的外伸長度不應小于柱邊長（或管徑）的1/10。對于有抗拔要求的埋入式柱腳，可在埋入部分設置栓釘（2.2a）。4.鋼柱邊（角）柱柱腳埋入混凝土基礎部分的上、下部位均需布置U形鋼筋加強（見圖2.2b），可按下列公式驗算U形鋼筋數(shù)量：當柱腳受到由內(nèi)向外作用的剪力時（圖2.2a)，當柱腳受由外向內(nèi)作用的剪力時式中：－－柱腳埋入部分由U型加強筋提供的側向極限受彎承載力，可取1.2；Ty――U形加強筋的受拉承載力，Ty=At*fyk為U形加強筋的截面面積之和，為U形加強筋的強度標準值；――基礎混凝土的受壓強度標準值；a――U形加強筋重心到基礎上表面或到柱底板下表面的距離（見圖2.2）；――基礎頂面到鋼柱反彎點的高，可取底層層高的2/3；――鋼柱腳埋置深度；――與彎矩作用方向平行的柱身尺寸。圖2.3埋入式鋼柱腳U形加強筋計算簡圖當邊（角）柱混凝土保護層厚度較小時，可能出現(xiàn)沖切破壞，可用下列方法之一補強：（一）設置栓釘。根據(jù)過去的研究，栓釘對于傳遞彎矩和剪力沒有什么支配作用，但對于抗拉，由于栓釘受剪，能傳遞內(nèi)力。（二）錨栓。因柱子的彎矩和剪力是靠混凝土的承壓力傳遞的，當埋深較深時，在錨栓中幾乎不引起內(nèi)力，但柱受拉時，錨栓對傳遞內(nèi)力起支配作用。在埋深較淺的柱腳中，加大埋深，提高底板和錨栓的剛度，可對錨栓傳力起積極作用三、外包式柱腳抗震設計外包式柱腳的特點,是鋼柱底板與外包混凝土底部齊平,外包混凝土配有主筋和箍筋,頂部箍筋要集中配置,鋼柱的外包部分要設置栓釘,鋼柱翼緣外側的混凝土保護層厚度一般不應小于150mm，外包式柱腳可按圖3.2所示的內(nèi)力分布進行設計。當鋼柱與基礎鉸接時,柱腳彎矩完全由外包鋼筋混凝土承受,柱的剪力也由外包混凝土承擔。至于柱的軸力,一般認為,軸力可由鋼柱底板直接傳給基礎,軸向拉力可通過底板的伸出邊緣和錨栓傳給基礎。下面對外包式柱腳在彈性階段的設計和抗震設計要求的最大承載力的計算,分別作一下簡要介紹。1.柱腳軸向壓力由鋼柱直接傳給基礎，按現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010驗算柱腳底板下混凝土的局部承壓，承壓面積為底板面積。2.彎矩和剪力由外包層混凝土和鋼柱腳共同承擔，外包層的有效面積見圖3.1。柱腳的受彎承載力驗算公式如下：式中，――柱腳的彎矩設計值；――外包層混凝土中受拉側的鋼筋面積；――受拉鋼筋抗拉強度設計值；――受拉鋼筋重心至混凝土受壓區(qū)邊緣的距離。――鋼柱腳的受彎承載力。3.外包式柱腳的極限受彎承載力應大于鋼柱的全塑性抗彎承載力，圖3.2表示柱腳的極限受彎承載力的彎矩組成方式及各項符號意義。驗算公式如下：式中：――考慮軸力時，鋼柱截面的全塑性彎矩，按規(guī)定計算；――柱腳的極限受彎承載力；――考慮軸力影響，外包混凝土頂部箍筋處鋼柱彎矩達到全塑性彎矩時，按比例放大的外包混凝土底部彎矩；――鋼柱底板到柱反彎點的距離，可取柱腳所在層層高的2/3；――外包混凝土頂部箍筋到柱底板的距離；――外包鋼筋混凝土的抗彎承載力與Mu3之和；――鋼柱腳的極限受彎承載力，按外露式鋼柱腳Mu的計算方法計算。外包層混凝土截面的受剪承載力應符合下列要求：式中：V――柱底截面的剪力設計值；――外包式柱腳的極限受剪承載力；――外包層混凝土的截面有效寬度，按圖3.1b采用；――混凝土軸心抗拉強度標準值；――箍筋的抗拉強度標準值；――水平箍筋的配箍率；（a）受彎時的有效面積（b）受剪時的有效面積圖3.1斜線部分為外包式鋼筋混凝土的有效面積圖3.2極限受彎承載力時外包式柱腳的受力狀態(tài)外包式柱腳設計應注意的主要問題是：（一）當外包層高度較低時，外包層和柱面間很容易出現(xiàn)粘結破壞，為了確保剛度和承載力，外包層應達到柱截面的2.5倍以上，其厚度應符合有效截面要求。（二）若主筋的粘結力和錨固長度不夠，主筋在屈服前會拔出，使承載力降低。為此，主筋頂部一定要設彎鉤，下端也應設彎鉤并確保錨固長度不小于25d。（三）如果箍筋太少，外包層就會出現(xiàn)斜裂縫，箍筋至少要滿足通常鋼筋混凝土柱的設計要求，其直徑和間距應符合規(guī)范規(guī)定。為了防止出現(xiàn)承壓裂縫，使剪力能從主筋順暢地傳給鋼筋混凝土，除了通常的箍筋外，柱頂密集配置幾道箍筋十分重要。（四）抗震設計時，在柱腳達到最大受彎承載力之前，不應出現(xiàn)剪切裂縫。（五）采用箱形柱或圓管柱時，若壁板或管壁局部變形，承壓力會集中出現(xiàn)在局部。為了防止局部變形，柱壁板寬厚比和徑厚比應符合《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003關于塑性設計規(guī)定,也可在柱腳部分在鋼管內(nèi)澆灌注混凝土。四、結束語外包式和埋入式柱腳在抗震設計中已經(jīng)被廣泛應用，本文從