门式刚架结构中刚接柱脚对比分析

焦峙炜

摘要：在钢结构设计中，柱脚是非常重要的连接节点。柱脚的类型不同，则其施工工艺及直接成本也不相同。以某工程为例，采用功能系数法对三种不同类型的刚接柱脚进行分析，达到节约工程成本的效果。

Abstract： The joint of column base is  very important in the design of steel structure. Because of different types for the column base， the construction technology and direct cost are not the same. Giving a project as an example， three different types of rigid column bases are analyzed by using the function coefficient method and the effect of saving engineering cost is achieved.

关键词：门式刚架;刚接柱脚;功能系数法

Key words： portal frame;rigid column base;function coefficient method

1  概述

在门式刚架结构工程中，柱脚是必不可少的结构连接节点。它能够将上部结构的荷载传递给基础，对整个结构的承载力及稳定性有着非常重要的作用。作为连接钢柱与基础的重要节点，其合理的受力分析和节点设计也就显得尤為必要。

根据结构分析的受力不同，钢结构柱脚可分为铰接柱脚和刚性柱脚两大类。其中，常用的刚接柱脚可分为三类，分别为外露式柱脚、埋入式柱脚以及外包式柱脚。

2  刚接柱脚类型

2.1 外露式柱脚

外露式柱脚主要由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支承托座等组成，各部分相互之间连接应连接可靠。一般情况下，锚栓承受拉力，钢柱底板下部抗剪键承受剪力，压力则由柱脚底板和混凝土基础的接触面传递至基础底部。施工时，应先在混凝土基础中预埋锚栓，当混凝土达到强度后再进行钢柱吊装。在整个过程中，基础与吊装作业能够分别依次进行，故此种柱脚有施工简单、工期较短等优点。但是，根据以往震害表明：这种柱脚的破坏特征是锚栓剪断、拉断或拔出。因此，外露式柱脚的承载能力较弱，更像是半刚性柱脚。

2.2 插入式柱脚

插入式柱脚是20世纪80年代提出并投入工程应用的一种柱脚连接形式。它是将钢柱直接插入已浇灌好的混凝土杯口基础内，经校准后用细石混凝土二次浇灌固定。上部结构传递给柱脚的弯矩和剪力，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平衡，轴向力由二次浇灌层的黏剪力和柱底板反力承受。这种柱脚形式与柱脚刚接的模型较吻合，构造也非常简单（不需加焊栓钉），施工方便，安全可靠。经过汶川地震作用的实践检验，这种柱脚具有良好的抗震性能。

2.3 埋入式柱脚

埋入式柱脚由底板、栓钉、锚栓等几个部分组成。它是将钢柱脚直接埋入钢筋混凝土基础中，基础包括独立基础，筏板基础和基础梁等。埋入式柱脚内力的传递是通过柱翼缘接触的混凝土侧压力所产生的弯矩，平衡柱脚弯矩和剪力。其钢柱周围设置栓钉，栓钉通过外包混凝土将部分轴压力传递给基础。与上述两种柱脚形式相比，其抗震性能好，刚接程度高，承载力比较容易保证。一般多用于多高层建筑、大跨空间结构以及抗震设防区的建筑结构。其缺点是施工工期较长，施工交叉作业较多，现场管理难度较大。由于门式刚架的基础通常为独立基础，当采用此种柱脚形式时，需先浇筑独立基础底板。待混凝土达到强度后，才能进行钢柱安装。钢柱安装完成后，方可浇筑独立基础底板的上部结构，然后进行基坑回填。从而导致整个现场基坑长时间暴露于外，存在较大的安全与质量隐患。

3  工程实例

某门式刚架轻型厂房，跨度24m（单跨），檐口高度8m，场地类别三类，当地设防烈度为7度（0.1g）。钢柱采用工厂焊接H型钢，截面尺寸为H300×300×8×12。根据上部传力计算，基础采用独立基础，基础底部面积为2.8×2.8（m）。钢柱嵌固端为-0.500m，独立基础埋深为-2.000m。独立基础混凝土强度等级为C30，垫层为C15。

当采用外露式柱脚时，具体构造如图1所示。

根据《2018山西省建设工程计价依据-建筑工程预算定额》，方案一的直接工程成本费用如表1所示。

当采用插入式柱脚时，具体构造如图2所示。

根据《2018山西省建设工程计价依据-建筑工程预算定额》，方案二的直接工程成本费用如表2所示。

当采用埋入式柱脚时，具体构造如图3所示。

根据《2018山西省建设工程计价依据-建筑工程预算定额》，方案三的直接工程成本费用如表3所示。

由上述可知，三个方案每平米造价分别为：

C方案一=303.57（元/m2）  C方案二= 260.46（元/m2）

C方案三=307.41（元/m2）

4  方案比选

价值工程是一种把功能与成本、技术与经济结合起来进行技术经济评价的方法，即利用价值工程对多方案通过功能分析和成本分析进行价值分析，开展方案比选及优化，达到降低投资风险、提高方案可行性和经济性的目的，是重要的方案选择工具。

功能指数法是价值工程中一种方法，其又称相对值法。在功能指数法中，功能的价值用价值指数来表示，它是通过评定各对象功能的重要程度，用功能指数来表示其功能程度的大小，然后将评价动象的功能指数与相对应的成本指数进行比较，得出该评价对象的价值指数，从而确定改进对象，并求出该对象的成本改进期望值[1]。

针对所提的两种方案，拟采用价值工程中功能指楼法对这两个方案进行比选。首先确定以下四种功能，分别为F1=费用、F2=施工协同、F3=工期、F4=质量。根据实际情况，每个功能的满足程度得分如表4所示，四种功能的重要性为F1>F2>F3=F4

则采用（0-4）法，每个功能的权重如表5所示。

根据表4与表5，计算出三个方案的功能加权得分为：

W方案一=9×0.478+9×0.262+10×0.130+8×0.130=9.000

W方案二=10×0.478+10×0.262+10×0.130+9×0.130=9.870

W方案二=8×0.478+8×0.262+9×0.130+10×0.130=8.390

则三个方案功能的总加权得分为：

W总=W方案一+W方案二+W方案三=9.000+9.870+8.390=27.260

三个方案的功能指数分别为：

F方案一=9.000÷27.260=0.330

F方案二=9.870÷27.260=0.362

F方案三=8.390÷27.260=0.308

三个方案的成本指数为：

E方案一=C方案一÷（C方案一+C方案二+C方案三）=303.57÷（303.57+260.46+307.41）=0.348

E方案二=C方案二÷（C方案一+C方案二+C方案三）=260.46÷（303.57+260.46+307.41）=0.299

E方案二=C方案三÷（C方案一+C方案二+C方案三）=307.41÷（303.57+260.46+307.41）=0.353

综上，三个方案的价值指数为：

V方案一=F方案一÷E方案一=0.330÷0.348=0.948

V方案二=F方案二÷E方案二=0.362÷0.299=1.211

V方案三=F方案三÷E方案三=0.308÷0.353=0.873

故 V方案二>V方案一>V方案三

由上可知，对于门式刚架结构，当采用插入式柱脚时，其直接成本最低，所得到的效益也最大。

5  结论

①对于门式刚架结构的柱脚，应根据其基础类型进行选择。当基础采用独立基础时，可选用外露式柱脚、插入式柱脚和埋入式基础;当基础采用条形基础或者筏板基础时，应选用埋入式柱脚。②由于门式刚架重量较轻，基础类型多为独立基础。根据价值工程功能系数法分析可得，应优先考虑插入式柱脚和外露式柱脚。其中插入式柱脚不仅仅施工简单，构造可靠，且具有良好的经济的效益。

参考文献：

[1]但泽义.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2019：1523-1523.

[2]徐勇.柱腳刚度对门式刚架受力性能的影响[J].工业设计，2015（05）.

[3]陈婷，金天德，符刚.新型高层钢结构柱脚设计[J].浙江建筑，2011（09）.