抗震区工业厂房柱脚设计的探讨

王春燕 陈海勇 何嵇明

【摘要】随着当前建设形势的迅猛发展，钢结构在建筑领域中得到了较大的发展与应用，并显示了它特有的优点，构件装配式、安装快捷、工期短。因近年来地震频发，抗震问题被人们所重视和思考，作为钢结构产业的领头军--工业厂房，柱脚抗震该如何设计？是当前设计人员应认真解决和思考的一个问题。

【关键词】工业厂房、抗震、钢结构、柱脚

1. 工业厂房柱脚

钢柱脚是钢骨架与基础连接的重要节点，它将柱子所受到的内力（轴力、弯矩和剪力）通过柱底板、靴粱和地脚螺栓传给基础。一般的门式轻钢因自重轻，吊车吨位小、吊挂荷载轻、故不是地震作用效应组合控制设计，一般采用铰接或半刚性柱脚与基础相连；重型厂房的柱脚在非抗震区通常采用两种形式：一种是整体式柱脚，一种是分离式柱脚；多层建（构）筑物框架体系柱脚多为柱脚带靴梁用地脚螺栓与基础刚性连接。这些柱脚均为外露式，构造复杂、费工费料。而现在的工业厂房已经超出门式刚架的范畴，有些已属于重型厂房，且位于抗震区域，如果我们还是采用非抗震区通常做法，是否合理？现对常规的几种柱脚连接方式在某工程上进行计算比较、分析与探讨。

2. 实际工程举例讨论

工程条件及荷载情况：

工程条件：24米x2跨度，单脊双坡，开间8米，檐口高12.0m，屋面坡度为5%，每跨2台32/5T吊车工作制A5 抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度：0.15g， Ⅳ类场地，

设计地震分组：第一组

荷载取值：屋面恒载：0.20KN/m2 ； 屋面活载：0.30KN/m2 （刚架） 0.50KN/m2 （檩条）

吊挂荷载：0.20KN/m2 ；风 载：0.45KN/m2 ； 雪 载：0.45KN/m2

计算软件：软件采用中国建筑科学研究院-PKPM计算软件STS、STPJ（2010版）。

现厂房柱脚如采用外露式和采用插入式柱脚的用钢量进行对比、分析。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 第9.2.16条 采用外露式柱脚时，柱脚承载力不宜小于柱截面塑性屈服承力的1.2倍。按此条规定边柱H600x400x8x16截面能承受的弯矩为Mp=Wpfy=[Af （H- tf）+twh2w/4]x fy，经计算截面承担的最大塑性弯矩=1512.08KN·M

乘1.2倍等于1814.5 KN·M ，

中柱H550x420x10x18 经计算截面承担的最大塑性弯矩=1615.43KN·M 乘1.2倍等于1938.52 KN·M ，

表1 根据模型内力计算

名称 模型查得内力组合 柱脚锚栓大小

及个数 柱脚板尺寸（mm） 柱脚总用（kg）

（含加劲板）

边柱柱脚H600x400x8x16 M=883.144KN-M N=193.814KN

V=-120.21 KN 6个M56锚栓

材质：Q345B

-44x1050x850

435

中柱柱脚

H550x420x10x18 M=798.693 KN-M

N=651.25 KN

V=-87.75 KN 6个M52锚栓

材质：Q345B

-44x980x960

505

表2 根据《建筑抗震设计规范》

名称 截面塑性弯矩：M

钢材屈服抗剪强度：V 柱脚锚栓大小

及个数 柱脚板尺寸（mm） 柱脚总用（kg）

（含加劲板）

边柱柱脚

H600x400x8x16 M=1814.5 KN-M

N=193.814KN

V=909.254 KN 8个M64锚栓

材质：Q345B -50x1000x1220

645

中柱柱脚

H550x420x10x18 M=1938.52 KN-M

N=651.25 KN

V=1028.514KN 8个M68锚栓

材质：Q345B -54x1200x1250 820

按《建筑抗震设计规范》9.2.16条来计算锚栓和柱脚板，锚栓和柱脚板用量都比较大，现我们改用插入式柱，计算插入式柱脚的用钢量。根据《建筑抗震设计规范》9.2.16条：实腹式钢柱采用埋入式、插入式柱脚的埋入深度，应由计算确定，且不得小于钢柱截面高度的2.5倍。（如下图所示）

因钢柱脚在强震作用下全截面进入屈服阶段，作用于基础顶面极限弯矩（塑性弯矩）和极限剪力，由柱翼缘板与二次浇灌层混凝土之间的抗压传递。极限轴力，由二次浇灌层的粘剪力和底板承受。混凝土杯口基础的承载力应等于或大于柱子屈服承载力。

H钢柱实腹柱插入深度d为：

注：二次浇灌采用C40砼 ，混凝土抗压强度设计值

边柱：

=119+989=1108m

中柱： =128+1000=1128mm

与《建筑抗震设计规范》9.2.16条比较取大者。由此可得边柱埋H=2.5h=2.5x600=1500mm

中柱埋深H=2.5h=2.5x550=1375mm

插入式柱脚的用钢量是模型内力计算的1/2，是截面塑性弯矩计算的2/3，用钢量较为经济。

表3 插入式柱脚 根据《建筑抗震设计规范》

名稱 截面塑性弯矩 插入深度d（mm） 柱脚板尺寸（mm） 柱脚总用钢（kg）

（含加劲板）

边柱柱脚

H600x400x8x16 M=1814.5 KN-M

N=193.814KN

V=909.254 KN

1500

-20x650x440

249

中柱柱脚

H550x420x10x18 M=1938.52 KN-M

N=651.25 KN

V=1028.514KN

1375

-20x600x450

262

3. 各类柱脚优缺点

插入式柱脚是指柱脚直接插入已浇灌好的杯口内，经校准后用细石混凝土浇灌至基础顶面。柱脚下部的弯矩和剪力，主要是通过二次浇灌层细石混凝土对钢柱翼缘的侧向压力所产生的弯矩来平衡，轴向力由二次浇灌层的粘剪力和柱底板反力承受。其受力原理简单明确，安装及加工方便，不需二次安装。

外露式柱脚采用锚栓抗弯，抗剪键抗剪，柱脚板传递轴力来传递力及弯矩给基础。相比较外露式柱脚加工比较繁琐，施工安装要跟土建单位紧密配合。

另外在抗震区用得较多的外包式柱脚其弯矩和剪力是由外包的砼和钢筋承担，钢筋砼包脚的高度、截面尺寸和钢筋的配置，由柱脚的内力和钢柱截面的大小确定，因这种柱脚在单层厂房用得不多，现不作计算进行具体比较。

4.小结：

通过该工程的比较、分析，我们知道柱脚的做法有很多种，选择适合具体工程的连接方式，设计合理的柱脚，不仅节省用钢量，而且方便加工安装。所以对一个现代工业厂房的钢结构设计，不仅仅要满足其受力安全和使用要求，还应精心比较，选择合理的柱脚连接式，这样不但缩短工期，还能将低造价。

【参考文献】

（1）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）

（2）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

（3）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）

（4）《钢结构设计与计算》，机械工业出版社，2001

（5）《钢结构设计手册》（第三版）中国建筑工业出版社