钢结构柱脚的抗震设计要点分析

陈军

（山西大同煤矿集团设计研究有限责任公司 山西大同 037003）

1 插入式柱脚抗震设计

插入式柱脚是一种柱脚连接形式，于20世纪80年代被提出和应用。插入式柱脚连接形式主要是指将钢柱直接插入混凝土杯口内，同时使用二层浇灌层进行固定的一种方式[2]。插入式柱脚连接形式在应用的过程中，上部钢珠的内力会逐渐传入基础，构造也十分的简单，同时还能够在很大程度上节约钢材，因而应用十分广泛。我国对插入式柱脚也有明确的规定，在抗震设计规范中，明确指出插入的深度必须要通过计算获得和确定，其中规定最小的插入深度应在单肢截面高度的2.5倍以上，且还应在柱总宽度的0.5倍以上。然而，通过对现行规范的了解，其仅仅对最小值进行了规定，并没有对计算的公式进行明确。这无疑为工程设计带来的难度。因此，在计算深度方面，应给予关注和重视。本研究从实腹柱插入和双肢格构柱插入式柱脚，总结了插入式柱脚抗震设计的要点。

实腹柱主要包括五Z种，即H形钢柱、矩形管柱和钢管混凝土柱、圆形钢管柱和钢管混凝土柱。不同的类型，其在计算深度方面也各不相同的。其中，钢柱全截面进入屈服阶段时，插入深度的计算公式，如式（1）所示。在式（1）中，d表示钢柱插入杯口深度，Vpw表示极限剪切力，b表示的是柱翼缘宽度，Mp表示的是弯矩，fy表示的是钢材屈服强度，fe表示的是混凝土轴心抗压强度设计值。

圆形钢柱管和钢管混凝土柱在地震力的作用下，相比于H钢柱等，柱的受力情况更是比较复杂，因而在计算的过程中，精度是更加难以保障的。依据相关要求，插入深度的计算公式，如式（2）所示。在式（2）中，D表示的是钢管外径，其余参数，详见公式1。

在计算双肢构柱插入深度的过程中，目前我国的现行规定中只有原则性的规定，对于基础杯口内深度计算公式还没有相应的规定。这就导致在抗震设防区域设计人员难以很好地实现抗震设防的目标。

因此，为进一步提高抗震设计的水平和目标，在应用插入式柱脚方式的过程中，应从以下两方面给予高度的关注和重视。从杯口基础这一角度来说，首先在抗震设防区域，应选择适宜的杯口基础混凝土强度等级。在选择的过程中，应对环境类别、设计使用年限以及混凝土的抗压和抗拉强度等进行考虑。同时，杯口基础与钢柱肢的空隙应高于混凝土等级，以确保充填的密度。另外，插入式钢柱杯口基础的受力情况与预制混凝土的基本相同，因而应对杯口底板和杯壁的厚度以及承载力应与预制混凝土柱的杯口基础要求。

2 外包式柱脚抗震设计

外包式柱脚是指钢柱底板直接与柱脚相连接，并在外部覆盖混凝土层以增加结构强度的方法。一般情况下外包混凝土都覆盖有主筋和箍筋两层，其中顶部结构的箍筋是钢柱外包部分，需要布设栓钉来强化水平抗拉力，通常钢柱翼缘的混凝土层厚度在150mm以上，其具体应力分布见图1。

图1 外包式柱脚受力状态示意图

从图1中可以看出，在钢柱和基底连接在一起时，柱脚的弯矩应力由外包混凝土负担，同时混凝土还承担着钢柱的剪力。在钢柱轴力分布方面，直接通过底板传导给基础层，而轴向拉力则通过底板的伸出部分传递给基础层。依据《混凝土结构设计条例》（GT58505-2015）现行标准，对混凝土局部承压情况进行预算。

柱脚受弯承载力计算公式为：

其中M为弯矩值，AS为钢筋面积，fb为抗拉强度，h0为受压区到钢筋重心的距离，M2为受弯承载力。

3 结论

由于外包式柱脚和插入式柱脚的结构优势，在现代建筑抗震设计中已经得到了广泛应用，望本文研究内容得到相关企业及技术人员的重视，加强技术创新与应用实践，在柱脚抗震设计过程中注意质量控制，更好地提升钢结构建筑抗震设计水平，为行业发展提供建设性意见。

[1]吴健，王芸芸.钢结构柱脚的抗震设计要点分析[J].建材发展导向：下，2016，14（11）：10050～10051.

[2]葛琳军.高层钢结构柱脚的抗震设计[J].建材发展导向：上，2017，15（31）：147～148.