石油化工外露式钢接柱脚设计

董海印　王梅亮

摘      要：石油化工行业中钢结构形式被大量使用，柱脚作为钢结构设计中重要的一部分应该得到足够的重视。石油化工行业中最为常用的柱脚形式为外露式钢接柱脚，其构成主要包括柱脚底板、地脚螺栓、靴板、加劲肋、垫板、开孔等几大部分。结合石油化工行业特点，对上述柱脚的各组成部分进行详细的分析及研究，使石油化工行业中钢结构柱脚的设计更加合理、规范。

关  键  词：石油化工;钢结构外露式柱脚;钢接柱脚

中图分类号：TU 318       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1501-04

Design of Exposed Fixed Column Base in Petrochemical Industry

DONG Hai-yin， WANG Mei-ling

（CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang Liaoning 110167， China）

Abstract： Steel structure is widely used in petrochemical industry. As an important part of steel structure design， the column base should be paid enough attention. The most common form of column foot in petrochemical industry is exposed fixed column base， its main contents include baseboard， anchor bolt， boot plate， stiffener， bearing plate and round hole. In this paper， these parts were analyzed and researched based on the characteristics of petrochemical industry， in order to make the steel structure column design more reasonable and normal.

Key words： Petrochemical industry; Exposed column base; Fixed column base

1  石油化工行业中钢结构外露式柱脚的重要意义及使用现状

1.1  钢结构柱脚的重要性

在石油化工行业结构设计中钢结构占到了60%以上，常见的结构单体如：冷换构架、反应器构架、楼梯间、装置管廊、系统管廊等，而钢柱脚是上部主體钢结构与基础连接的重要连接节点，柱脚将上部的荷载（轴力、剪力、弯矩）有效地传递至基础，保证上部结构的稳定性和安全性，同时柱脚的形式也直接影响到结构整体的内力分布与变形性能，故钢结构柱脚设计在钢结构设计中起着至关重要的作用。在国内外钢结构破坏的案例中钢结构柱脚的破坏占有很大的比例，特别是在风荷载和地震荷载作用下钢结构上部结构发生大的水平和竖直方向的变形，导致柱脚受到很大弯矩和剪力，从而造成柱脚锚栓断裂、底板在锚栓边缘被拉断、柱脚焊缝撕裂等节点破坏情况^[1]，如图1所示，进一步导致了整体结构的严重破坏或者倒塌，所以钢结构柱脚的结构设计应得到足够的重视。

1.2  石油化工行业中钢结构柱脚的使用现状

目前钢结构柱脚根据其所处的位置分为外露式柱脚、外包式柱脚、埋入式柱脚、插入式柱脚4种;按照受力情况分为铰接柱脚（不可以传递弯矩）、钢接柱脚（可以传递弯矩）两大类^[2]。外露式钢接柱脚以其安装方便、可以有效缩短施工期以及造价低等优点被广泛应用到石油化工钢结构中。在石油化工行业中80%以上的钢结构均采用这种柱脚形式，但是目前外露式钢接柱脚的规范化情况不太理想，经过作者现场实际情况调研发现虽然同样为外露式钢接柱脚，但各设计院做的节点样式有很大不同，甚至同一设计单位的不同设计人员的柱脚节点样式也各式各样，而且其中有很多的柱脚节点根本不符合相关的计算及构造规定，如图2所示。

通过实际情况可以看出，柱脚节点目前没有得到设计人员的充分重视，设计人员把大量的精力投放到了上部钢结构的截面计算中而轻视了柱脚节点的设计，严重违背了目前《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中要求的“强节点弱构件”的设计原则，导致钢结构设计存在很大的安全隐患^[3]，所以有必要对外露式钢接柱脚的设计进行详细的梳理。

2  外露式钢接柱脚的设计

柱脚的设计应符合传力可靠，减少应力集中，便于制作、运输和安装的总体原则，且满足柱脚节点的承载力设计值不小于下段柱的承载力设计值。外露式柱脚还应采取构造措施防止积水、积灰，并采取可靠的防腐、防火措施。常用的外露式钢接柱脚主要由以下几部分组成：柱脚底板、地脚螺栓、抗剪键、靴板、隔板、肋板、垫板、开孔。下面本文将结合实际情况分别对柱脚的各组成部分进行详细的说明。

2.1  柱脚底板的设计及构造要求

柱脚底板是柱脚计算中的关键，底板的强度直接决定了柱脚节点的安全性。柱脚底板及其连接板除了应满足柱脚向基础传递内力的强度要求外，还需要满足承受基础反力和锚栓抗力作用的能力。计算时可以假定柱脚为钢体，基础反力呈线性变化^[4]。底板的宽度B可以按公式（1）进行确定：

B =b +2t +2c（1）

式中：b —柱截面宽度;

t—靴梁的厚度，一般取柱翼缘的厚度，且≮10 mm;

c—底板伸出靴梁外的宽度，一般≮20～30 mm。

底板的长度L需满足公式（2）的要求：

（2）

式中：N、M—柱下端的框架组合内力即轴心力和相应的弯矩;

f_C—混凝土轴心抗压强度设计值，当计入局部承载的提高系数时可按规定进行放大。

柱脚底板的厚度t可以按公式（3）进行计算：

             （3）

在基础反力的作用下，各区格单位宽度上弯矩的最大值，当锚栓直接锚在底板上时取区格弯矩和锚栓产生弯矩的较大值;

 f 钢结构屈服强度设计值。

各区格的弯矩应该根据区格的四边支承情况和区格底板下部的平均应力进行计算。

除了按上述的公式计算确定外，柱脚底板的厚度还应满足一定的构造要求：底板厚度不应小于20 mm，也不宜大于100 mm，当底板厚度大于40 mm时应采用厚度方向性能钢材。

2.2  地脚螺栓的计算及构造

锚栓是连接柱脚节点和混凝土基础的关键构件，锚栓在柱脚节点中的主要作用是承受上部结构和弯矩产生的拔力，一般对称布置在较大弯矩作用的方向上（柱子的强轴方向）。锚栓的计算应选取最不利的荷载组合，一般情况下为M最大而N相应较小的组合^[5]，该组合可以使底板在最大的范围内产生底部拉力，如图3所示。

当偏心距  时，单个受拉锚栓有效截面积可按公式（4）进行计算：

         （4）

式中： M、N —柱下端的框架组合中最大弯矩和其对应的轴心力;

锚栓抗拉强度设计值;

n —柱一侧的锚栓数量;

x —底板一侧压应力分布长度，应采用使其产生最大拉力的组

合弯矩和相应的轴力。

锚栓在混凝土基础中锚固的长度应根据承载力的需求和基础混凝土的强度等级来确定，一般情况下为25 d，当锚固长度较长或者埋深受限时，可设置锚板。锚栓距离基础边缘不宜太近，否则容易造成混凝土的劈裂破坏，钢结构设计规范中对锚栓边距的构造要求一般不小于150 mm。

2.3  抗剪键的计算

柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力，此水平反力首先通过柱脚底板与混凝土接触面之间的摩擦力传递给基础混凝土，但当柱脚承受的水平力大于该摩擦力时，需要设置抗剪键来抗剪。在实际应用中常采用H型钢或者槽钢，将抗剪键焊接在底板的下面，柱子的水平力由底板传递给焊缝再传给抗剪键，抗剪键通过承压传递给周围的混凝土。抗剪键能否起到抗剪作用其埋深起到关键的作用，抗剪键埋深应能保证混凝土达到破坏时的承载力大于柱脚承受的水平力，其埋深h可按公式（5）进行计算：

            （5）

式中：V —柱脚剪力设计值;

混凝土轴心抗压强度设计值;

b 抗剪键宽度。

2.4  靴脚板、肋板、墊板、开孔等构造要求

当钢接柱脚承受的荷载比较大时一般应设置靴板，靴板可设计成单腹壁或者双腹壁。靴板的高度一般由计算确定，但不宜小于300 mm，其厚度不宜小于柱子翼缘的厚度，且应符合梁腹板的构造要求，靴板一般贴焊于柱子翼缘上，也可以与柱子翼缘或者腹板等强对接焊接。

肋板是划分柱脚底板区格的重要组成部分，肋板的设置直接影响了底板区格的大小及支承情况，从而影响底板的区格弯矩。肋板的截面应根据柱脚反力由计算确定，反力取其承受底板下混凝土基础反力，按悬臂支撑得到的剪力和锚栓拉力产生的剪力中的较大值。肋板的厚度不宜小于12 mm，并应与柱的板件厚度和底板厚度相协调，其高度一般与靴板等高或者取靴板高度的三分之二。

垫板放置于底板的上方，为地脚螺栓的螺帽与底板间的传力构件，垫板设计时切不可与底板下方钢柱安装时找正用的垫铁^[6]弄混淆。垫板的大小应根据螺帽的直径确定，一般应比螺帽直径大20 mm以上，厚度取螺栓直径的0.4～0.5倍，且≮20 mm。

柱脚节点开孔主要有以下几种：底板螺栓孔、底板灌浆孔或者排气孔、垫板开孔、靴板排水孔。

底板螺栓孔供穿螺栓和安装柱脚时使用，直径一般为地脚螺栓直径+6 mm，柱脚安装前开好。当底板面积较大时需要在底板上开设灌浆孔或者排气孔，直径为60～100 mm，其数量为每平方米底板面积上1～2个。垫板起到固定螺栓的作用，垫板开孔为螺栓直径+2 mm，钢柱安装完毕后将垫板与柱脚底板焊接，焊脚尺寸不小于10 mm，锚栓应采用双螺母拧紧并与垫板点焊。为防止柱脚节点内长期积水导致钢结构腐蚀，应在靴板的底部开设排水孔，排水孔直径可根据实际选用，一般在60 mm左右，对称布置在钢柱两侧。

3  施工注意事项

3.1  地脚螺栓的埋设

地脚螺栓的埋设是否精确直接影响到柱脚的位置及上部钢结构的安装，地脚螺栓埋设中微小的误差可能造成上部结构无法安装的严重后果，或者导致上部结构被动移位而影响正常使用。根据《钢结构施工质量验收规范》GB50205的要求：地脚螺栓位置的允许偏差应不大于5 mm（中心偏移）。

在实际施工中地脚螺栓一般由负责基础浇筑的土建队伍进行预埋，如果不采取有效的限位措施或者科学的施工工序，混凝土浇筑时很容易对地脚螺栓造成冲击而改变其位置或者造成地脚螺栓的倾斜，所以对地脚螺栓的施工及定位应采取必要的措施和科学的施工工序。地脚螺栓的施工应严格遵守科学的施工工序：测量放线、基础钢筋的绑扎、柱墩模板安装、定位板安装及固定、螺栓组安装复核、螺栓焊接固定、混凝土浇筑螺栓复核、产品保护。为了保证地脚螺栓的牢固需要在混凝土浇筑前将地脚螺栓与基础底板或者基础短柱的钢筋进行短钢筋接头连接或者直接采用定位模板，短钢筋接头的连接最好分布在地脚螺栓的上、中、下3个标高，防止混凝土浇筑时的冲击使其倾斜或者移位，同时混凝土振捣时应进行精细施工，防止振捣设备触碰到地脚螺栓，混凝土浇筑时如发现地脚螺栓移位应及时进行纠正。地脚螺栓从安装到完成施工应经过多次复测，分别为：短钢筋接头焊接完成后的复测、混凝土初凝前的复测、钢柱预制和吊装前的复测，每次的复测均需严格按照图纸的要求进行，发现问题后需要及时的纠正。地脚螺栓施工完成后还需要对地脚螺栓进行成品保护，防止现场的施工与其发生碰撞及地脚螺栓的腐蚀。

3.2  柱脚焊缝的施工

柱脚作为重要的传力构件，其传力途径为：柱通过竖向焊缝传递到靴板和肋板，靴板和肋板通过水平焊缝传递到底板，然后再由底板传递到基础顶面，焊缝在柱脚的传力过程中起到了至关重要的作用，因此柱脚焊缝的施工直接影响到柱脚的可靠性和安全性。

外露式钢结构柱脚的焊缝通常有两种：剖口对接焊及普通的角焊缝。钢结构柱子与柱脚底板一般采用剖口焊，靴板及肋板与钢柱、底板一般采用普通角焊缝，当底板的厚度≮40 mm时还需要采用厚度方向性能钢板。焊缝长度基本为满焊，具体操作时应该严格按照设计图纸中给定的焊缝形式及焊缝高度进行施工。焊接施工时需要注意以下事项：焊接变形对施工质量影响非常大，所以焊接时应采取措施严格控制焊接变形;根据板的不同厚度采取相应的预热措施及层间温度控制措施;实施分段的多层多道焊，每焊完一道后应及时清理焊渣及表面飞溅物，发现影响焊接质量的缺陷时，应清除后方可再焊;焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷，一二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。

4  结束语

柱脚设计作为钢结构设計环节中的重要一环对钢结构的安全性起着至关重要的作用，但是目前在石油化工行业中未能得到足够的重视。本文结合理论基础及现场实际情况对石油化工行业中常用的外露式钢结构柱脚的计算及构造进行了详细的阐述，对柱脚设计的合理性及构造规范性给予了充分的强调，对钢结构柱脚设计有着一定的指导意义。

参考文献：

[1]雷克，杨彬.地震作用下钢结构的破坏及抗震性能的提高[J].建筑结构，2011（12）：20-24.

[2]李祖婷，杨婷连，王宁.浅析钢结构柱脚形式[J].四川建筑科学研究，2012（5）：43-46.

[3]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[4]曾艺鑫.探讨外露式钢结构柱脚反力计算[J].福建建筑，2017（10）：139-42.

[5]童根树，吴光美.钢柱脚锚栓设计内力计算方法综述[J].建筑结构，2004（6）：55-57.

[6]王桂杰，刘敬.提高设备基础垫铁安装精度的方法[J].当代化工，2016，45（9）：2158-2159.

收稿日期：2020-03-12

作者简介：董海印（1985-），男，辽宁省沈阳人，工程师，2008毕业于中国石油大学（华东）土木工程专业，研究方向：石油化工结构设计。E-mail：donghaiyin@hqcec.com。