钢结构外露式刚接柱脚的过渡版连接设计方法

杨福海 王银春

（1、宁夏通信规划设计院有限责任公司，宁夏银川 750000 2、银川能源学院，宁夏银川 750000）

近年来，钢结构在工业与民用建筑中的应用越趋广泛。钢材的高强度、较好的变形性能，在工程中都得到了很好的发挥，尤其是在抗震、耗能方面钢结构具有很大优势。钢结构设计包括整体分析、构件设计、节点设计，而节点设计中的柱脚设计非常重要，它起着将柱底力传递给基础，使上部结构与基础有效的连接在一起的作用。所以如何将钢结构柱脚设计的准确、安全、合理、便于施工，显得至关重要。钢结构中的刚接柱脚，按其构造形式可分为：外露式柱脚、埋入式柱脚、外包式柱脚，其中外露式刚接柱脚常用于轻钢结构厂房、6～7 度抗震设防烈度且高度不超过50m 的多高层钢框架结构中[1]。本文将主要针对外露式刚接柱脚进行讨论。

目前，常用的外露式刚接柱脚的设计方法是在柱端焊接一块底板，在柱下基础浇筑完成后，将预埋在基础内的锚栓与底板进行可靠连接。由于钢柱吊装就位后需要进行标高和垂直度调整，所以会在钢柱底面和基础顶面之间预留约50mm 的后浇区域。施工时当钢柱标高和垂直度调整完成以后再进行二次压力注浆。本文称此种设计方法为传统设计方法。

传统设计方法的存在以下不足：

①预留的50mm 后浇区域施工质量难以保证，容易形成空鼓使钢柱脚传力不均匀，易形成安全隐患。

②在施工过程中预埋锚栓的位置往往偏差很大，与设计的锚栓布置有出入。

③钢柱安装过程中预留空间较小，不便施工。

本文针对传统设计方法存在的不足，提出钢结构外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法，本文称此种设计方法为新设计方法。新设计方法是在基础顶预埋一块钢板，过渡板与预焊锚栓按设计在工厂进行塞焊连接，施工现场将过渡板与基础顶预埋钢板进行焊接连接，最后将带有开孔底板的钢柱与锚栓进行连接安装。新设计方法可避免二次浇注和预埋锚栓位置偏差带来的不利影响，使柱底剪力的传递更明确、更可靠，且便于施工[2]。

1 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法

1.1 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法介绍：详见图1、图2。

图1 外露式刚接柱脚大样

图2 1-1 剖面

1.2 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法的计算公式

1.2.1 柱脚底板下混凝土受压验算(1)当偏心距e≤L/6 时，底板下的混凝土最大受压应力为[3]：

1.2.2 锚筋在剪力V、轴向压力N 和弯矩M 共同作用下的验算

在剪力V、轴向压力N 和弯矩M 共同作用下（即最终剪力由锚筋来承受），锚筋的面积按下面两个公式计算，并取其中的较大值[4]：

1.2.3 柱脚底板与柱下端的连接焊缝验算

柱脚底板与柱下端的连接焊缝，不考虑加劲肋等补强板件与底板连接焊缝的作用，即按无加劲肋的情况进行验算。沿H形截面柱周边采用角焊缝连接时，其强度按下列公式验算[5]：

式中：N、V、M 是作用在柱脚处的轴心压力、水平剪力、弯矩；Aew是沿柱截面周边的角焊缝的总有效截面面积；Wew是沿柱截面周边的角焊缝的总有效截面模量；Aeww柱腹板处的角焊缝的有效截面面积；βf是正截角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构取1.22，对直接承受动力荷载的结构取1.0；fwf是角焊缝的强度设计值。

1.2.4 过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝验算

过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝，采用角焊缝连接时，其强度按下列公式验算：

式中：N、V、M 是作用在柱脚处的轴心压力、水平剪力、弯矩；Aew是沿过渡板周边的角焊缝的总有效截面面积；Wew是过渡板周边的角焊缝的总有效截面模量；Aeww是过渡板周边平行于水平剪力方向的角焊缝的有效截面面积；βf是正截角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构取1.22，对直接承受动力荷载的结构取1.0；fwf是角焊缝的强度设计值。

2 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法计算实例

由于传统设计方法在工程设计中已应用多年，大家较熟悉，故不再赘述。在此只给出新设计方法典型工程算例，示出详细设计验算过程。

2.1 设计资料

某轻钢结构厂房H 形钢柱柱脚，钢柱、锚栓、预埋板、过渡板、柱脚底板钢材均选用Q355B，截面H400×260×6×12，基础混凝土强度等级C30，内力设计值N=300KN、V=35KN、m=202KN·m。

2.2 柱脚底板下混凝土受压验算

柱脚布置见图3，底板受压计算简图见图4，在钢柱翼缘处初步布置3 个M30 锚栓。

图3 柱脚锚栓布置图

图4 底板受压计算简图

2.3 锚筋在剪力V、轴向压力N 和弯矩M 共同作用下的验算

在剪力V、轴向压力N 和弯矩M 共同作用下，锚筋的布置见图5：

图5 基础顶部预埋钢板图

2.4 柱脚底板与柱下端的连接焊缝验算

柱脚底板与柱下端的连接焊缝，不考虑加劲肋等补强板件与底板连接焊缝的作用，即按无加劲肋的情况进行验算。沿H形截面柱周边采用角焊缝连接，焊缝尺寸初步选定hf=10mm，焊条型号为E50，焊缝布置见图6：

图6 柱脚焊缝布置图

柱脚底板与柱下端的连接焊缝计算满足设计要求。

2.5 过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝验算

过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝，采用角焊缝连接时，其强度按下列公式验算。沿过渡板周边采用角焊缝连接，焊缝尺寸初步选定为hf=10mm，焊条型号为E50，焊缝布置见图7：

图7 过渡板与埋板焊缝连接示意图

过渡板与基础顶面预埋板的连接焊缝计算满足设计要求。

3 结论

3.1 为轻钢结构厂房、6～7 度抗震设防烈度且高度不超过50m 的多高层钢框架结构的外露式刚接柱脚提供了一种新的设计方法。

3.2 外露式刚接柱脚的过渡板连接设计方法可避免二次浇注和预埋锚栓位置偏差带来的不利影响，使柱底剪力的传递更明确、更可靠，且便于施工。

3.3 通过工程典型实例的外露式刚接柱脚的过渡板连接方法的设计计算，给出了用新方法进行刚接柱脚设计计算的详细过程，可以为类似工程提供参考。