矩形钢管混凝土柱埋入式柱脚设计

肖 鹏，吕 潮，殷 飞

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

钢管混凝土柱一般多采用刚性固定柱脚，根据不同受力特点，柱脚节点形式可分为埋入式柱脚和非埋入式柱脚。其中埋入式柱脚是将矩形钢管混凝土柱埋入基础内，埋入深度可有效传递柱脚弯矩、轴力、剪力，使钢管混凝土柱底部形成塑性铰，并更容易实现柱脚刚性节点的要求，具有良好的抗震性能，因此对于有抗震设计要求的结构，埋入式柱脚的使用更广泛。由于埋入式柱脚节点中，钢管混凝土柱与基础协同受力机制较复杂，因此节点设计需重点考虑。本文通过分析埋入式柱脚的传力机制，并从计算和构造要求2方面介绍设计要点。

1 埋入式柱脚传力机制

1.1 轴力传递

根据相关规范要求[1]，埋入式柱脚在柱轴向压力作用下的抗冲切验算从基础底板算起，即钢管混凝土柱轴力全部由柱脚底板直接传给基础，此种传力机制简单直接，但将导致柱脚底板以下承台厚度较大，经济性较差。因此也有研究表明，埋入式柱脚轴力的传递可由柱脚外壁栓钉与柱脚底板共同分摊，但由于栓钉刚度较小，需经受较大的变形才能完全发挥其抗剪承载力，而柱脚底板下为钢筋混凝土承台局部承压的受力形式，刚度较大，按照变形协调原则，栓钉无法完全承担柱的竖向轴力，需与柱底板共同分摊，一般情况下，栓钉仅能承担柱轴力的30%，而柱底板将承担70%的轴力[2]。

1.2 弯矩和水平剪力的传递

1）弯矩的传递主要有2种形式[3]：①全部弯矩由钢管混凝土柱侧壁上焊接的栓钉抗剪作用传递给基础；②全部弯矩由钢管混凝土柱外壁钢板以及与之接触的基础混凝土的局部压力作用传递。

考虑到栓钉属于柔性连接件，因此柱脚弯矩建议按照第2种方式进行传递。

2）柱脚剪力也由埋入式的钢管混凝土柱侧壁与基础的混凝土承压力传递。埋入式柱脚传力如图1所示。

由于柱脚弯矩和剪力均由钢管混凝土柱外壁钢板以及与之接触的基础混凝土的局部压力作用传递，因此需验算柱侧壁边缘混凝土的最大压应力，要求不超过混凝土的抗压强度，并以此确定柱脚的埋入深度，验算公式如下：

图1 埋入式柱脚传力

式中，bc为柱宽，Hc为柱脚插入深度。

2 构造要求

1）柱脚插入深度柱脚插入深度除应满足验算要求外，尚不应小于柱长边尺寸的2倍。

2）栓钉栓钉直径不宜小于19mm，长度不应小于4倍栓钉杆径，竖向间距不应小于6倍栓钉杆径，横向间距不应小于4倍栓钉杆径，且均不宜大于200mm。栓钉离侧边不宜小于50mm且不大于100mm。

3）外隔板由于钢管混凝土柱将基础梁及承台面筋断开，因此需在钢管混凝土柱对应位置设置外隔板，可用于加强柱脚及焊接基础梁、承台断开面筋。外隔板厚度不宜小于25mm，外伸长度不应小于柱边的1/10。

4）埋入部分侧边混凝土最小厚度中柱不得小于250mm，边柱不得小于400mm。

5）U形钢筋在边柱和角柱基础部位，埋入式柱脚基础的顶部和底部需设置U形加强钢筋，用以承担柱脚传递给基础的弯矩和剪力，防止基础混凝土发生水平冲切破坏；U形钢筋的锚固长度应从柱的内边缘算起，且不小于30d[4]，如图2所示。

图2 U形加强筋构造

6）柱脚底板矩形钢管混凝土柱埋入式柱脚的柱脚底板厚度不应小于柱脚钢管壁厚，且不应小于25mm。且其厚度应根据柱脚内力及底板形式进行受力核算。

7）柱脚底板下部二次浇筑要求柱脚底板下部考虑钢柱施工及精度调平要求，通常在底板下预留一定空隙，此空隙需进行二次浇筑。浇筑材料通常采用C40细石混凝土或M50膨胀水泥砂浆，用以保证柱安装时柱底的初期承载力。

8）周边纵筋及箍筋在埋入式柱脚四周需配置垂直纵向主筋，其配筋不宜小于4φ22，并应在上端设置弯钩；垂直纵向主筋的锚固长度应从柱脚底板以下部分算起，且不应小于35d；当垂直纵向主筋间距大于200mm时，应增设φ16的垂直纵向架立筋，在埋入处的顶部应配置不少于3φ12@50的加强箍筋；一般箍筋为φ10@100。且竖向钢筋应按照与栓钉等强配置[5]，如图3所示。

图3 埋入式柱脚大样构造

9）柱脚锚栓埋入式柱脚锚栓一般仅在安装过程中起到固定的作用。锚栓直径一般可在20～42mm范围内采用，且不宜小于20mm。锚栓应设置弯钩，锚固长度不宜小于25d。锚栓垫板厚度与柱脚底板厚度相同，在柱安装校正完毕后，应将锚栓垫板与底板焊牢，其焊脚尺寸不宜小于10mm；锚栓应采用双螺母紧固，为防止螺母松动，螺母与锚栓垫板宜进行点焊。

3 结语

1）由于栓钉属于柔性连接件，无法全部承担埋入式柱脚轴力，建议轴力由柱脚外壁栓钉与柱脚底板按照3∶7的比例共同分摊。

2）柱脚弯矩及剪力建议均由埋入的钢管混凝土柱侧壁与基础的混凝土承压力传递，因此需按此原则验算柱侧壁边缘混凝土的最大压应力，要求不超过混凝土的抗压强度，并以此确定柱脚的埋入深度。

3）埋入式柱脚的设计除因满足计算要求以外，各部位还需满足相关构造要求。