钢结构柱脚设计与研究综述

摘要：本文总结了现阶段国内钢柱脚的设计方法，介绍了其基本构造、优缺点及相关的计算过程，给出其适用范围，最后结合国内钢柱脚的研究情况提出研究重点及其面临的难题，总结钢柱脚研究的发展趋势。

关 键 词：钢柱脚 外露式柱脚 埋入式柱脚 外包式柱脚 有限元模拟

中图分类号：TU391文献标识码： A

引言

在钢结构中，柱脚是上部结构与基础连接的重要部分，是决定其整个结构体系承载能力的一个重要因素，柱脚是否合理不仅关系到整个建筑的安全性，还对建筑结构的受力性能、施工及整个工程造价产生重大影响。

目前国内由于规范涉及钢柱脚的内容较少，规定也不够详细，并且对钢柱脚研究并不多，实际在进行设计过程中，人为的做了一些假定，设计模型也比较简化，使得钢柱脚的设计因人而异，没有形成统一的标准化设计，同时有的设计偏于保守，在一定程度上造成了浪费。

本文即在这种情况下，总结一下国内目前钢柱脚的设计方法和研究现状，最后提出一些柱脚研究的建议。

1.柱脚形式及设计方法

柱脚按结构的内力，可大体分为铰接柱脚和刚接柱脚两大类。铰接柱脚仅能传递水平力和垂直力，刚性柱脚除了传递水平力和垂直力外，还能传递弯矩[1]。

在钢结构设计中，刚性柱脚的形式通常又分为：

1）外露式柱脚 2）埋入式柱脚 3）外包式柱脚

在刚性柱脚设计中，在保证结构安全可靠的前提下，应根据柱脚的受力状况，并结合工程实际，考虑造价与工期的前提下，合理选用柱脚形式，设计柱脚，以产生最大的综合效益。

1.1外露式柱脚

外露式柱脚是将钢柱用锚栓固定在混凝土基础表面的柱脚。基本构造主要由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支承托座等组成。外露式柱脚采用锚栓连接柱子和基础，构造简单，施工方便快捷。

外露式刚性固定柱脚[2]的计算设计内容主要包括：底板下混凝土的受压应力的计算；锚栓的受拉验算；水平抗剪计算；底板厚度计算等。设计是在假定混凝土线弹性、底板刚性的平截面等基础上，建立偏心压力，锚栓拉力以及底板混凝线性压应力合力的平衡体系，进而进行设计求解，其中最主要是求得混凝土受压区的长度。

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图1 刚性固定外露式柱脚计算底板下混凝土受压应力分布图

主要计算过程：

1）偏心距e判别

三种情形：，，

其中：―偏心距，―由受拉侧底板边缘至受拉锚栓中心的距离

2）底板下的混凝土最大受压应力

三种情形：

，，

其中：―底板下混凝土的轴心抗压强度设计值，―底板下混凝土局部承压时的轴心抗压强度设计值提高系数，―底板下混凝土最大受压应力

3）受拉侧锚栓的总拉力或锚栓的总有效面积

三种情形：

，，

其中：―受拉锚栓总拉力，―底板受压区长度

4）水平抗剪承载力

三种情形：

，，

其中：―底板底面与混凝土的摩擦力

5）柱脚底板厚度

为根据柱脚底板下的混凝土基础反力和底板的支承条件，计算得到的最大弯矩。

外露式柱脚构造简单，施工方便，可以做成铰接柱脚和刚接柱脚，在钢结构里面应用较广，但在抗震设防地区对于多高层钢结构建筑，外露式柱脚抗震性能较差，如果做成刚接柱脚会使其尺寸较大，建筑处理上比较困难，此时不宜采用外露式。

1.2埋入式柱脚

埋入式柱脚是将钢柱以一定深度埋在混凝土基础梁中的柱脚。基本构造主要由底板、栓钉、锚栓等组成，但柱脚锚栓一般不用来承受底部的水平力，埋深较小的柱脚是通过底板的摩擦力或抗剪键来抗剪；埋深较大的柱脚除底板摩擦力抗剪外，还可以发挥钢骨埋入部分的抗剪作用。埋入式柱脚受力特点决定了其具有刚接程度高，抗震性能好的优点，但同时也造成了柱脚的构造复杂、施工工期长等缺点。

埋入式柱脚的计算设计内容主要包括：底板厚度验算；栓钉焊接计算；埋入深度要求；埋入钢柱受压侧的基础混凝土的受压应力验算；埋入钢柱四周的基础混凝土钢筋配置验算等。由于埋入式柱脚内力传递比较复杂，计算过程中进行了比较多的假定，如假定轴力由底板直接传递给基础，弯矩主要由栓钉传递或钢柱与混凝土之间的承压力传递，剪力主要由钢柱与混凝土的承压力传递，主筋进行计算时不考虑钢柱承担的弯矩等[1][3][4]。

图2 埋入式柱脚示意图

主要计算过程：

1）底板长宽、厚度

，

式中：N―柱的轴心压力，L、B―底板长宽，f―混凝土轴心抗压强度，―底板厚度， ―根据柱脚底板下混凝土基础反力和底板的支承条件所确定的最大弯矩。

2）钢柱翼缘外侧抗剪圆柱头栓钉数目[5]

，，

式中：M―作用于钢柱埋入处顶部的弯矩，―埋入的钢柱的截面高度，―一个圆柱头栓钉受剪承载力设计值

3）钢柱埋入基础和基础梁深度

对于轻型工字形截面柱：；对于H型钢柱：

4）埋入钢柱受压侧翼缘处的基础或基础混凝土的受压应力

式中：M―钢柱埋入处顶部的弯矩，V―钢柱埋入处顶部的水平剪力， ―钢柱的埋入深度，―相对于埋入钢柱翼缘宽度和钢柱埋入深度的混凝土截面的模量

5）钢柱四周的垂直纵向主筋

，

式中：―受拉侧与受压侧纵向主筋合力点间的距离，―钢筋抗拉强度设计值

埋入式柱脚由于其抗震性能好，刚接程度高，在高层钢结构建筑中应用较多，特别是对一些特大型钢结构建筑，如北京奥运场馆“鸟巢”等，基本上都是采用埋入式柱脚。

1.3外包式柱脚

外包式柱脚是在钢柱脚外面包以钢筋混凝土的柱脚。基本构造是钢柱底板与外包混凝土平齐，外包混凝土配有主筋和箍筋，顶部箍筋集中配置，钢柱的外包部分设有栓钉。外包式柱脚的构造方式决定了外包式柱脚具有构造简单，不影响基础钢筋布置的优点，但由于其传力机制比较复杂，现有计算体系不严格。

外包式柱脚的计算设计内容主要包括：底板厚度验算、栓钉焊接计算、外包高度要求、包脚部分的钢筋配置验算，包脚部分的剪力验算。由于外包式柱脚传力机制很复杂，计算过程中进行了比较多的假定，如假定轴力由底板直接传递给基础，弯矩主要由栓钉传递给外包混凝土再传给基础，剪力主要由包脚混凝土与水平箍筋共同承担，主筋进行计算时不考虑钢柱承担的弯矩等[1][3]。

图3 外包式柱脚示意图

主要计算过程：

1）底板长宽、厚度

，

式中：N―柱的轴心压力，L、B―底板长宽，f―混凝土轴心抗压强度，―底板厚度， ―根据柱脚底板下混凝土基础反力和底板的支承条件所确定的最大弯矩。

2）钢柱外侧抗剪圆柱头栓钉数目

，，

式中：M―作用于钢柱埋入处顶部的弯矩，―埋入的钢柱的截面高度， ―一个圆柱头栓钉受剪承载力设计值

3）钢柱包脚高度

对于轻型工字形截面组，对于H形截面柱

4）包脚部分垂直纵向主筋

，

式中：―作用于包脚柱底部的弯矩，―外包高度， ―受拉侧与受压侧纵向主筋合力点间的距离，―钢筋抗拉强度设计值

5）包脚部分箍筋配置

作用于包脚柱底部的水平剪力：

对H型截面柱（取两者较小值）

，

对箱形截面柱，箍筋配置应满足：

式中：―配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积，―沿外包高度方向的箍筋间距，―外包部分的截面有戏高度，―箍筋的抗拉强度设计值。―外包部分的截面宽度，―外包部分钢柱翼缘位置处的混凝土有效宽度

外包式柱脚的复杂程度介于外露式与埋入式之间，总的来说其构造也较为简单，对于低层、多高层钢结构建筑都是一种较好的形式。

2.柱脚研究现状

国内最早进行钢柱脚研究是八十年代哈尔滨工业大学李德滋教授[6]对外露式柱脚作了一些理论分析和试验研究，提出了计算锚栓拉力方法，并考虑了锚栓抗剪的设计方法。

九十年代初西安建筑科技大学对于露出型柱脚进行了抗剪分析研究，于安麟等[7][8]主要对露出型钢柱脚的抗震性能进行了研究，在普通钢柱脚滞回曲线试验研究基础上提出了确定整个柱脚节点抗弯和抗剪承载力的方法。

1994年青岛工程学院王燕[9]通过压弯作用下柱脚试验，对埋入式柱脚在轴力和弯矩共同作用下的主要破坏模式、抗剪栓钉的数量及柱脚埋深等因素对柱脚承载力的影响进行了试验研究，总结了埋入式柱脚主要破坏形式，提出了对埋入式柱脚的设计方法的一些补充和建议。

2005年浙江大学童根树等[10]总结归纳了柱脚锚栓的设计方法，对国内外柱脚锚栓设计方法进行了回顾和比较，对单个锚栓的破坏模式和承载力进行了总结，并且在总结的基础上建议了单个锚栓的设计准则和锚栓拉力的计算方法。

2009年北京建筑工程学院李维平等[11]对露出型钢柱脚抗剪承载力计算方法进行了总结，分析了国内外对钢柱脚锚栓的研究情况，提出了露出型钢柱脚需要设置抗剪键的新分界点，提出了设置抗剪键的建议及计算公式。

综合目前国内对于钢柱脚的研究，从这些公开发表的文献来看，所进行的研究多数针对的是适合低层钢结构的外露式柱脚，而对于埋入式和外包式柱脚的研究很少，虽然总体来看对柱脚做了不少试验以及理论研究，但研究也基本上是针对某一种类型的特定柱脚和从试验中得到一些有益的总结，无法大面积的应用推广，其中关于柱脚分析计算的研究也甚少。

3.结论与进一步研究方向

可以发现，实际柱脚连接的受力性能很难用简单的理论来进行精确描述，即使通过试验，由于受一些条件限制，如不同的结构柱脚形式和尺寸是不同的，其柱脚组成构件的设置也没有规范化、标准化，同时对于有不同构件的柱脚，其受力的情况也是相差较大的等，这样就无法提供足够的试验数据。

因此柱脚研究还需要做大量的工作：

1）综合国内柱脚的设计方法可以看到，很多设计方法采用了比较多的假定和一些经验构造措施，这就要求柱脚的理论研究还需要更加深入，需要既能方便实际应用，同时理论上又能严格推导的理论设计方法。

2）由于规范涉及柱脚的内容较少且不够详细，对于柱脚的各个构件也没有规范化、标准化，使得柱脚设计是因人而异，因此，柱脚研究中标准化与规范化的工作是不可或缺的，包括设计方法的标准化，柱脚各构件的规范化与标准化，这将从设计到施工产生较大的综合效益。

3）虽然现阶段对柱脚有不少试验研究，但基本上是针对某一种类型的柱脚，而柱脚由于其复杂性决定了需要系统性的研究，所以近年来开始采用试验+有限元模拟来分析柱脚节点，用试验来验证有限元模型的有效性，通过有限元可以模拟较为复杂的柱脚情况，较精确的显示出柱脚的受力性能及变形情况。因此，柱脚的分析计算方法研究应该受到重视。

4）从柱脚形式上看，外露式柱脚研究较多，埋入式柱脚和外包式柱脚研究很少，但从实际应用来看，对各形式柱脚都应重视起来，从理论到试验，再到有限元模拟，最后到实际应用都需要展开研究。

综合我国现阶段钢柱脚的设计与研究，钢柱脚将对建筑结构的各个方面有着较大影响，针对它的形式、理论、试验等研究还应该继续进行，能直接应用于实际工程的具体量化设计方法还需进一步的研究。随着钢结构在我国的大规模应用，钢柱脚的设计研究将趋于保证安全的前提下更加规范化、标准化。

参考文献

[1]李星荣，钢结构连接节点设计手册（第二版）.中国建筑工业出版社，北京，2004

[2]但泽义，钢柱脚与混凝土基础刚接连接设计方法探讨.钢结构2010增刊：417~426

[3]高层民用建筑钢结构技术规程JGJ 99-98，中华人民共和国建设部.北京：北京建筑工业出版社，1998

[4]蔡益燕，高层钢结构柱脚的抗震设计.建筑结构，1997(6)：3~8

[5]钢结构设计规范GB50017-2003，中华人民共和国建设部.北京：北京建筑工业出版社，1998

[6]李德滋， 钢柱脚锚栓的应力分析和设计.工业建筑，1983(10)：30~36

[7]于安麟，露出型钢柱脚抗剪性能的研究(1) .工业建筑，1992(5)：24~26

[8]于安麟，露出型钢柱脚抗剪性能的研究(2) .工业建筑，1992(6)：29~33

[9]王燕，王泽，温学志. 埋入式柱脚受力分析.青岛建筑工程学院学报，1993，14(3)：11~14

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

[11]李维平，刘西金. 露出型钢柱脚抗剪承载力计算方法探讨.中国科技信息，2009(3)：54~55