高烈度地区埋入式钢框架柱脚设计研究

时间：2024-08-31

赵栩杜长虹

1 天水第一建筑工程公司（741000） 2 天水师范学院（741000）

高烈度地区埋入式钢框架柱脚设计研究

赵栩1杜长虹2

1 天水第一建筑工程公司（741000） 2 天水师范学院（741000）

国内对埋入式柱脚的抗震性能认识并不充分，设计规范相关内容主要参考国外相关规范编制，有必要对埋入式钢柱脚的抗震性能、极限承载力和传力机制进行研究。这里依据现行钢结构规范对钢框架埋入柱脚破坏机理进行研究，结合设计经验对柱脚设计提出一些实用性建议。

钢框架；柱脚；设计；研究

0 引言

目前钢结构柱脚的形式通常有三种,即外露式、埋入式和外包式。对于仅传递垂直荷载的铰接柱脚（如门式刚架结构），一般采用外露式柱脚；对于高层钢结构或者复杂体系的钢结构，由于柱脚反力较大，一般采用埋入式柱脚；而外包式柱脚的传力性能介于前两者之间。[1]

国外对埋入式钢柱脚的研究较多，主要集中在日本，近年来国内学者也开始重视柱脚研究。日本学者中岛茂寿研究了方钢管截面的中柱、边柱柱脚的抗震性能以及各因素对柱脚性能的影响、破坏形式（NakashimaS，1986）；捷克学者PertoldJ等研究了在静力轴压下柱脚的黏结承载力和冲切承载力、应力分布及设计方法（PertoldJ，2000)；殷志文初步研究了中柱的滞回性能、埋置深度、栓钉的布置对柱脚的影响（殷志文，2009)。[2]

国内规范对于柱脚的设计均采用日本学者算法，一般要求是，对于H型钢，柱脚埋入深度不小于2倍柱截面，对于箱形柱脚不小于3倍柱截面。这样从构造上规定虽然具有一定安全度，但可操作性较差。可对埋入式柱脚的破坏机理进行研究，找出相应的解决方法。

1 埋入式柱脚破坏机理研究

1.1 力学特性

图1 边柱柱脚的p-δ滞回曲线

对于埋入式柱脚，由于型钢侧面与混凝土之间存在支承反力，如果埋深足够，就能充分发挥型钢的抗弯能力，可以认为柱脚的受弯承载力与型钢混凝土柱相同。图1为边柱柱脚的p-δ滞回曲线。从图中可知，埋入式柱脚具有较高的承载力和耗能能力。

1.2 传力机制[2]

1）边柱埋入式柱脚轴压传力机理

①钢柱混凝土保护层承担的轴力沿埋置深度自上到下逐渐增大，地梁端部混凝土保护层在钢柱底板截面处是其最不利截面。

②沿埋置深度方钢管承担的轴力自上而下逐渐减小，因此，处于埋入段顶面的截面是其最不利截面。

③压弯作用下，保护层开裂后混凝土将退出工作，钢柱承担全部轴力。

2）边柱埋入式柱脚弯矩传力机理

①钢柱混凝土保护层承担的弯矩沿埋置深度自上到下逐渐增大，因此钢柱底板截面处是地梁端部混凝土保护层的最不利截面。

②基础表面以上方钢管承担的弯矩自上到下由小变大，在埋入段自上到下由大变小，因此埋入段顶部截面是方钢管的最不利截面。

③混凝土保护层开裂后,混凝土将退出工作，钢柱几乎承担全部弯矩。

④埋入段顶部箍筋承担的剪力远大于下面箍筋承担的剪力，因此，埋入段顶部的箍筋应该加密，同时布置U型加强筋。在负方向作用时，下部箍筋将承受较大剪力，在底板处应布置U型筋。

⑤锚栓参与抗弯，柱脚极限承载力应考虑锚栓的贡献。

2 现有钢结构柱脚设计的局限性

在高烈度地区，受地震作用影响，型钢柱脚处不但会有较大轴力，还存在较大弯矩及剪力。此时，柱脚极限受弯承载力控制，同时考虑受剪和冲切。

在柱脚节点设计时,为解决受弯承载力超限，多数设计师采用加大柱脚埋置深度的方法解决，为解决抗剪及避免混凝土破坏采取加宽承台宽度的方法。如加大埋置深度则造成基础厚度增大，如加宽承台宽度，则必然对建筑功能造成影响。总之，如采取简单方法处理一定会造成设计不合理，现行设计存在一定的局限性。

3 实用方法提出

1）采用双底板柱脚

埋入式双底板柱脚是由上下两块底板与底板间的竖向加筋板组成,整个柱脚形成一个刚性节点。柱脚的竖向荷载首先传递给下部底板,然后再通过上下底板间加筋板的竖向焊缝传递给上部底板,从而形成共同受力的一个柱脚整体,节点刚度较好。另外由于柱脚上焊有上下两块底板，与仅一块底板的柱脚相比较,在埋入深度一致的前提下,前者的嵌固效果要好很多。参考《混凝土设计规范(GB 50010-2010)》中受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时,锚固长度可取基本锚固长度的60%,所以与传统的埋入式柱脚相比，这种埋入式双底板柱脚的埋置深度可以大大减小，从而达到减少基础深度的目的。[3]

2）在底板处配置U型筋。

3）在承台或者地梁表面以下500 mm以内箍筋加密。