高烈度地區(qū)埋入式鋼框架柱腳設計研究

趙栩 杜長虹

1 天水第一建筑工程公司（741000） 2 天水師范學院（741000）

高烈度地區(qū)埋入式鋼框架柱腳設計研究

趙栩1杜長虹2

1 天水第一建筑工程公司（741000） 2 天水師范學院（741000）

國內(nèi)對埋入式柱腳的抗震性能認識并不充分，設計規(guī)范相關內(nèi)容主要參考國外相關規(guī)范編制，有必要對埋入式鋼柱腳的抗震性能、極限承載力和傳力機制進行研究。這里依據(jù)現(xiàn)行鋼結構規(guī)范對鋼框架埋入柱腳破壞機理進行研究，結合設計經(jīng)驗對柱腳設計提出一些實用性建議。

鋼框架；柱腳；設計；研究

0 引言

目前鋼結構柱腳的形式通常有三種,即外露式、埋入式和外包式。對于僅傳遞垂直荷載的鉸接柱腳（如門式剛架結構），一般采用外露式柱腳；對于高層鋼結構或者復雜體系的鋼結構，由于柱腳反力較大，一般采用埋入式柱腳；而外包式柱腳的傳力性能介于前兩者之間。[1]

國外對埋入式鋼柱腳的研究較多，主要集中在日本，近年來國內(nèi)學者也開始重視柱腳研究。日本學者中島茂壽研究了方鋼管截面的中柱、邊柱柱腳的抗震性能以及各因素對柱腳性能的影響、破壞形式（NakashimaS，1986）；捷克學者PertoldJ等研究了在靜力軸壓下柱腳的黏結承載力和沖切承載力、應力分布及設計方法（PertoldJ，2000)；殷志文初步研究了中柱的滯回性能、埋置深度、栓釘?shù)牟贾脤χ_的影響（殷志文，2009)。[2]

國內(nèi)規(guī)范對于柱腳的設計均采用日本學者算法，一般要求是，對于H型鋼，柱腳埋入深度不小于2倍柱截面，對于箱形柱腳不小于3倍柱截面。這樣從構造上規(guī)定雖然具有一定安全度，但可操作性較差。可對埋入式柱腳的破壞機理進行研究，找出相應的解決方法。

1 埋入式柱腳破壞機理研究

1.1 力學特性

圖1 邊柱柱腳的p-δ滯回曲線

對于埋入式柱腳，由于型鋼側面與混凝土之間存在支承反力，如果埋深足夠，就能充分發(fā)揮型鋼的抗彎能力，可以認為柱腳的受彎承載力與型鋼混凝土柱相同。圖1為邊柱柱腳的p-δ滯回曲線。從圖中可知，埋入式柱腳具有較高的承載力和耗能能力。

1.2 傳力機制[2]

1）邊柱埋入式柱腳軸壓傳力機理

①鋼柱混凝土保護層承擔的軸力沿埋置深度自上到下逐漸增大，地梁端部混凝土保護層在鋼柱底板截面處是其最不利截面。

②沿埋置深度方鋼管承擔的軸力自上而下逐漸減小，因此，處于埋入段頂面的截面是其最不利截面。

③壓彎作用下，保護層開裂后混凝土將退出工作，鋼柱承擔全部軸力。

2）邊柱埋入式柱腳彎矩傳力機理

①鋼柱混凝土保護層承擔的彎矩沿埋置深度自上到下逐漸增大，因此鋼柱底板截面處是地梁端部混凝土保護層的最不利截面。

②基礎表面以上方鋼管承擔的彎矩自上到下由小變大，在埋入段自上到下由大變小，因此埋入段頂部截面是方鋼管的最不利截面。

③混凝土保護層開裂后,混凝土將退出工作，鋼柱幾乎承擔全部彎矩。

④埋入段頂部箍筋承擔的剪力遠大于下面箍筋承擔的剪力，因此，埋入段頂部的箍筋應該加密，同時布置U型加強筋。在負方向作用時，下部箍筋將承受較大剪力，在底板處應布置U型筋。

⑤錨栓參與抗彎，柱腳極限承載力應考慮錨栓的貢獻。

2 現(xiàn)有鋼結構柱腳設計的局限性

在高烈度地區(qū)，受地震作用影響，型鋼柱腳處不但會有較大軸力，還存在較大彎矩及剪力。此時，柱腳極限受彎承載力控制，同時考慮受剪和沖切。

在柱腳節(jié)點設計時,為解決受彎承載力超限，多數(shù)設計師采用加大柱腳埋置深度的方法解決，為解決抗剪及避免混凝土破壞采取加寬承臺寬度的方法。如加大埋置深度則造成基礎厚度增大，如加寬承臺寬度，則必然對建筑功能造成影響。總之，如采取簡單方法處理一定會造成設計不合理，現(xiàn)行設計存在一定的局限性。

3 實用方法提出

1）采用雙底板柱腳

埋入式雙底板柱腳是由上下兩塊底板與底板間的豎向加筋板組成,整個柱腳形成一個剛性節(jié)點。柱腳的豎向荷載首先傳遞給下部底板,然后再通過上下底板間加筋板的豎向焊縫傳遞給上部底板,從而形成共同受力的一個柱腳整體,節(jié)點剛度較好。另外由于柱腳上焊有上下兩塊底板，與僅一塊底板的柱腳相比較,在埋入深度一致的前提下,前者的嵌固效果要好很多。參考《混凝土設計規(guī)范(GB 50010-2010)》中受拉普通鋼筋末端采用彎鉤或機械錨固措施時,錨固長度可取基本錨固長度的60%,所以與傳統(tǒng)的埋入式柱腳相比，這種埋入式雙底板柱腳的埋置深度可以大大減小，從而達到減少基礎深度的目的。[3]

2）在底板處配置U型筋。

3）在承臺或者地梁表面以下500 mm以內(nèi)箍筋加密。

4 結語

在高烈度地區(qū)，可盡量采用埋入式柱腳，并采用雙底板、在底板處配U型筋、箍筋加密三種方法加強，可有效地提高大柱腳抗震性能。

[1]蔡益燕,胡慶昌,周炳章,等.JGJ 99-98,高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[2]馬彬.邊柱埋入式鋼柱腳節(jié)點性能試驗研究[J].北京:北京林業(yè)大學,2011.

[3]馬彬.新型高層鋼結構設計[J].杭州:浙江建筑,2011,28(9).