钢结构柱脚的形式及设计原则

赵培兰

（太原城市职业技术学院，山西 太原 030027）

目前，钢结构建筑发展迅速。在钢结构建筑中，构件的承载力虽然重要，但是节点部位对结构的安全性尤为重要。其中最重要的节点部位就是梁柱节点和柱脚节点，这两种节点若有一个出现问题，将会对建筑结构造成很大的损失，所以在设计中对于钢结构的节点形式的选择和构造处理方法尤为重要。但多年来人们对梁柱的节点连接比较重视，而对柱脚节点连接形式及构造重视不足。因此，我们要对柱脚节点形式的选用和设计原则有个概念性的把握。

对钢结构的柱脚而言，不是指柱构件下端，而是指最下层柱构件的下端和基础混凝土的连接部分。柱脚是将最下层柱下端所受的轴力、弯矩、剪力有效地传递给基础。目前，常用的钢结构的柱脚有外露式柱脚、混凝土外包式柱脚和埋入式柱脚三种类型。

一、外露式柱脚

1.特点

外露式柱脚是通过锚栓将柱脚底板连同柱构件的下端和混凝土结构的基础相连接形成的柱脚。这种柱脚在混凝土基础中首先预埋锚栓，主要是因为柱子可以在混凝土达到强度后再吊装，基础梁的配筋等施工作业和钢柱的吊装可以分别进行，所以外露式柱脚有施工简单并且能有效缩短工期等优点。除高层建筑外，大部分中小规模的钢结构都利用此优点而采用外露式柱脚。但此柱脚的刚度和承载力等力学性能比其他柱脚形式偏低。多层钢结构住宅柱脚不宜采用这种柱脚，因为这种柱脚的抗震性能欠佳。外露式柱脚主要承受弯矩、剪力、和轴力，一般锚栓承受拉力，压力由柱脚底板和混凝土基础的接触面传递，剪力不能由锚栓承担，而由底板和基础接触面的摩擦力传递，如果摩擦力不足可以通过设置抗剪键的方式来承担柱底的剪力。

2.外露式柱脚设计原则

（2）锚栓要使用有延性能力的锚栓。如果不使用延性能力的锚栓，按破坏状态时锚栓也不能进行屈服设计。

（2）锚栓在混凝土基础的锚固长度为2 0 d以上，并且在锚栓端部设置锚板。锚栓使用垫圈和双重螺帽或者其他方式以防止松动。

（3）防止基础混凝土的压坏和割裂破坏，确保不发生螺栓被拔出引起冲切破坏柱脚底板下用无收缩砂浆密实填充。采用砂浆的压实强度应高于基础混凝土的设计基准强度。

（4）在应力作用下，柱脚底板不宜发生屈服，对于轻钢柱脚底板厚度不低于20 m m，其他柱脚底板厚度不小于柱翼缘厚度的1.5倍或3 0 m m。

二、外包式柱脚

1.特点

外包式柱脚，是在钢柱底部的外侧用钢筋混凝土包裹起来，其截面的构成为钢骨混凝土结构并且与非埋入式柱脚相同。因为钢结构柱没有必要预先埋入混凝土基础内所以其施工性较好，柱脚的固定性也高。但由于外包部分的截面变大楼面的有效面积减少，且受装修上的影响，采用此种形式的建筑物的用途会有限制。工厂、仓库、停车场等为防止车辆、叉车碰撞时，对柱进行保护而采用外包式柱脚。此外，屋外受雨淋的柱构件或地面使用水的建筑的柱构件进行外包后可以期待其防锈作用。

2.外包式柱脚设计原则

（1）外包式柱脚的设计，将轴力通过钢柱脚部的底板传给基础；弯矩和剪切力通过外包式构件混凝土部分来传递。计算其最大弯矩承载力时，可以将钢柱脚部的负担承载力加上去。

（2）外包式柱脚的高度，大于钢柱截面高度的2.5倍，并且l/d>=1。这里l为从底板下侧至外包式钢筋混凝土的最上侧箍筋为止的距离，d为从压缩i压缩边线至钢筋的重心距离。

（3）外包钢筋混凝土纵向主筋的锚固长度大于25d（d为异形钢筋的公称直径），顶部需设弯钩。外包钢筋混凝土的主筋必须充分锚入基础或者基础梁内。

（4）外包钢筋混凝土部分，至少应设置与一般钢筋混凝土柱同等配置的剪切补强筋（箍筋）。其箍筋的直径、间距及箍筋的配筋率的最小值根据《钢筋混凝土设计规范》设计，纵向主筋顶部至少配两道箍筋，其间距30-50m m。

（5）底板下侧位置为基础梁的上侧位置，底板及锚板按外露式柱脚设计。

（6）柱子若采用中空截面钢管时应注意确保钢管壁不发生局部变形而进行设计。

尽管，混凝土外包部分的柱外侧焊接了栓钉，因为从实验中证实了其承载力和变形能力的上升很小，可以忽视其效果。

三、埋入式柱脚

1.特点

埋入式柱脚，和其他两种柱脚形式相比固定度较高，承载力的确保比较容易如果将钢柱设计成先行屈服，其恢复力特性呈现稳定的完全弹塑性。其缺点，是埋入式柱脚埋入基础中的钢柱长度要增加，并且基础梁的宽度内的主筋不能与插入的钢柱相交而扩展或弯曲成斜筋等。另外，必须在基础梁配筋之前先行设置钢柱脚，所以钢结构构件的交货日期也要提前。

2.设计原则

（1）埋入式柱脚的设计，轴力是通过钢柱脚部的底板传递给基础混凝土的；弯矩和剪力是由埋入混凝土中的钢柱与混凝土间的承压来传递的。

（2）钢柱埋入基础混凝土中的深度宜为钢柱截面高度的2.5倍以上。

（3）基础中埋入钢柱的周围要适当配置加强钢筋。特别是边柱，应确保外侧的混凝土的保护层厚度，或者要注意配置适当的加强钢筋。

一般情况下，外露式柱脚一般用于传递垂直荷载的铰接柱脚；而对于高层钢结构或一些大型工业厂房的柱脚宜采用外包式柱脚或埋入式柱脚。

钢结构柱脚的设计和构造措施在整个建筑结构非常重要。一般中低层钢结构建筑物的基础都是钢筋混凝土结构，因此柱脚为两种不同类型的结构连接部位，地震作用下，大多数钢结构柱脚的损坏多是由不适当的设计和施工引起的，因此我们要足够重视。对于高层钢结构和大跨钢结构，一般宜选用埋入式柱脚。同时在结构设计当中，要根据建筑物的类型选择合理的柱脚连接形式，做好构造处理措施。

[1][日]日本钢结构协会．钢结构技术总揽[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．

[2]李和华．钢结构连接节点设计手册[M]．北京:中国建筑工业出版社，1992.

[3]青木博.文钢结构设计入门[M]．北京:中国建筑工业出版社，2012.