鋼柱與混凝土基礎(chǔ)連接形式探討

馬順峰

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司,江蘇南京 210019)

鋼柱與混凝土基礎(chǔ)連接形式探討

馬順峰

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司,江蘇南京 210019)

本文結(jié)合理論,在設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,闡述鋼柱與混凝土基礎(chǔ)的連接形式,指出各形式的適用范圍;并分析其各自的受力機理、相關(guān)的計算方法及構(gòu)造措施。本文介紹了鉸接、剛接柱腳的主要型式,重點分析了插入式柱腳插入深度;分析結(jié)果和建議供同類設(shè)計者參考。

鉸接柱腳 剛結(jié)柱腳 柱腳設(shè)計

1 引言

隨著我國鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。柱腳合理性設(shè)計問題急需解決。柱腳是上部主體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的節(jié)點，在結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要，起著承上啟下的作用。根據(jù)鋼柱和基礎(chǔ)的連接形式，柱腳可分為鉸接和剛結(jié)柱腳兩大部分。鉸接柱腳根據(jù)構(gòu)造不同有：平板式、帶肋板式和靴梁式柱腳。剛結(jié)柱腳根據(jù)構(gòu)造的不同，有外露式、埋入式、外包式及插入式柱腳。在設(shè)計中，采用什么樣的柱腳形式既經(jīng)濟又安全十分重要，本文就柱腳形式和各自的適用范圍做一探討。

2 鉸接柱腳

平板式柱腳是構(gòu)造最為簡單的一種鉸接柱腳形式，底板用水平角焊縫與柱截面相連，以傳遞柱中軸力和剪力。由于角焊縫的焊腳尺寸有一定限制而限制了傳力的大小，這種柱腳一般用于荷載較輕的柱子。當荷載較大時，可將端截面刨平頂緊于底版，依靠刨平頂緊傳力，但此時仍應(yīng)設(shè)置角焊縫，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》其連接焊縫可按最大壓力的15%或最大剪力中的較大值進行抗剪計算；當壓彎柱出現(xiàn)拉區(qū)時，該區(qū)的連接尚應(yīng)按最大拉力計算。

荷載較大的柱子當采用平板式柱腳有困難時，可以采用帶肋板的柱腳形式。三角形肋板焊接于柱身使兩者成為一體，從而加大了傳遞的荷載。同時，加設(shè)肋板后，把底板分成若干區(qū)格，在基礎(chǔ)反力作用下，柱底板中彎矩可大大減小，從而可減小柱底板的厚度。

荷載更大的柱子還可采用圖1所示帶靴梁的柱腳形式。靴梁一般采用兩塊鋼板，柱中荷載通過豎向角焊縫傳給靴梁，靴梁則通過水平角焊縫把荷載傳給底板。根據(jù)需要在靴梁板間還可以設(shè)置隔板，以增加靴梁的側(cè)向剛度，更重要的是設(shè)置橫隔板以后，底板被分成許多更小的區(qū)格，底板厚度可減小。

3 剛接柱腳

圖1 帶靴梁的鉸接柱腳

框架柱柱腳不但需要承受軸心壓力，還要承擔(dān)水平剪力和彎矩。因而需要鋼柱與基礎(chǔ)剛結(jié)。剛結(jié)柱腳的形式主要有外露式、埋入式、外包式以及插入式。

3.1 外露式柱腳

外露式鋼柱腳是應(yīng)用最為成熟、廣泛的柱腳形式，它的施工工藝簡單，造價低。主要應(yīng)用在輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋、廠房中。外露式柱腳是用預(yù)埋入混凝土的螺栓連接鋼柱與基礎(chǔ)。外露式柱腳可分為整體實腹式和分離格構(gòu)式。根據(jù)建筑物的不同采用不同的柱腳形式，多層框架結(jié)構(gòu)一般采用實腹式柱腳，單層廠房根據(jù)廠房跨度、吊車大小，檐口高度，地震烈度及柱腳內(nèi)力大小的不同，可選用實腹式和分離格構(gòu)式柱腳。實腹或分離式柱腳的底板均應(yīng)設(shè)靴板、加勁肋，隔板及錨栓托座等加強措施，各板件應(yīng)有足夠的強度和剛度，保證柱腳內(nèi)力的傳遞。柱腳錨栓不應(yīng)承受水平剪力，其剪力應(yīng)有設(shè)置在底板下的抗剪鍵和底板與混凝土間的摩擦力承受。錨栓可根據(jù)柱底彎矩，由彎矩平衡條件算出錨栓的大小及數(shù)量，這里不再贅述。

3.2 外包式柱腳

外包式柱腳是將鋼柱用鋼筋混凝土外包構(gòu)成的柱腳。柱腳底部彎矩由外包鋼筋混凝土承受，外包鋼筋混凝土的驗算應(yīng)符合《混凝土設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)要求；柱腳底部剪力由鋼柱底板和混凝土間的摩擦力抵消一部分，其余的由外包鋼筋混凝土承擔(dān)。有關(guān)文獻研究結(jié)果表明：由于鋼柱翼緣上栓釘?shù)拇嬖冢撝S力必定傳遞一部分軸力給外包混凝土。鋼柱內(nèi)的剪力和外包混凝土的剪力是反向的，使得混凝土承擔(dān)的剪力比柱子還要大。本文參考國內(nèi)外的有關(guān)文獻，經(jīng)分析比較后提出外包式柱腳在設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：

(1)鋼柱外包鋼筋混凝土高度，應(yīng)由計算確定，且H型截面宜大于柱截面高度的2.5倍，箱型截面或圓管截面柱的鋼筋混凝土外包高度不宜小于3.0倍的鋼結(jié)構(gòu)截面高度或圓管截面直徑。外包混凝土厚度，對H型截面柱不宜小于180mm，對箱型截面或圓管截面不宜小于200mm，其混凝土強度等級不宜小于C30。

(2)鋼柱腳在外包混凝土部分應(yīng)設(shè)置圓頭栓釘，其直徑不應(yīng)小于19mm，長度不應(yīng)小于桿徑的4倍，栓釘豎向及橫向中心距不得大于200mm。在計算平面內(nèi)，一側(cè)翼緣上栓釘數(shù)目可按下式計算：

式中：N-外包混凝土頂部箍筋處的鋼柱軸向力設(shè)計值

M-外包混凝土頂部箍筋處的鋼柱彎矩設(shè)計值

Nv-一個圓頭栓釘抗剪承載力設(shè)計值

(3)柱腳底板的尺寸和厚度應(yīng)根據(jù)外包混凝土頂部箍筋處的鋼柱軸心壓力、底板的支承條件和底板下混凝土反力以及柱腳構(gòu)造確定，但其厚度不應(yīng)小于20mm。

(4)柱腳錨栓按構(gòu)造要求設(shè)置，直徑不應(yīng)小于20mm，錨固長度不宜小于25倍的錨栓直徑。當鋼柱承受拉力時，錨栓直徑和錨固長度應(yīng)按計算確定且柱腳構(gòu)造應(yīng)滿足受力要求。

(5)鋼柱端部應(yīng)刨平與底板頂緊相焊。鋼柱在外包混凝土的頂部處應(yīng)設(shè)置水平加勁肋或橫隔板，其寬厚比應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。加勁肋或橫隔板應(yīng)與柱翼緣和腹板焊透。

圖2

圖3 插入式柱腳

3.3 埋入式柱腳

埋入式柱腳是將鋼柱埋入鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)、基礎(chǔ)梁或筏片基礎(chǔ)中，如圖2所示。

在抗震設(shè)防地區(qū)設(shè)計埋入式柱腳時，柱腳的下部在強震作用下易出現(xiàn)塑性區(qū)段，形成塑性鉸。為實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震目標，不允許柱腳首先屈服。埋入深度應(yīng)大于計算值，使混凝土基礎(chǔ)的抗力大于地震作用力，以保證柱腳處于嵌固狀態(tài)。柱腳邊緣混凝土的承壓應(yīng)力應(yīng)滿足下式：

式中：M、V—柱中底部的彎矩和剪力；在抗震驗算時應(yīng)為柱全截面屈服的彎矩和剪力。

d—為柱腳埋深。

柱腳埋入部分四周設(shè)置的縱筋和箍筋、鋼柱翼緣混凝土保護層，應(yīng)符合有關(guān)“規(guī)范”規(guī)定。柱腳端部及底板、柱腳錨栓、埋入部分水平加勁肋或橫隔板的要求與外包式柱腳相同。對于埋入基礎(chǔ)內(nèi)的深度現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的比較籠統(tǒng)，一般規(guī)定為2～3倍，設(shè)計人員很難把握埋入的深度，它沒有反應(yīng)出混凝土強度等級和柱腳內(nèi)力的關(guān)系。但根據(jù)有關(guān)假定和力平衡條件，可以推算出埋入深度d和混凝土強度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，這里不再陳述。

3.4 插入式柱腳

在單層工業(yè)廠房中絕大數(shù)是采用實腹式鋼柱或格構(gòu)式雙肢鋼柱，柱腳與杯口式基礎(chǔ)采用插入式連接，因其柱腳有一定的插入深度，柱肢內(nèi)力是逐漸傳入基礎(chǔ)的故可不用擴大的外露式柱腳，其構(gòu)造極為簡單。從分析破壞機理證明，破壞發(fā)生在基礎(chǔ)內(nèi)受拉肢的一側(cè)，受壓肢無破壞，受拉肢不僅承受拉力，而且在受拉肢插入段的底部還伴隨著因角變位而產(chǎn)生的向外水平變位，從而以撬力的形式作用于杯口，導(dǎo)致杯口壁破壞。這種柱腳構(gòu)造簡單、節(jié)約鋼材、安全可靠，構(gòu)造示意見圖3。

3.4.1 實腹插入式柱腳

在工程中常用的實腹柱有：H型鋼柱、矩形管柱、矩形鋼管混凝土柱和圓形鋼管混凝土柱。上述這些插入式柱腳在相關(guān)規(guī)程中沒有明確的規(guī)定。在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《抗震設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于插入深度有規(guī)范的比較籠統(tǒng)。現(xiàn)就實腹式柱腳插入深度探討如下：

插入式柱腳是將柱子插入已經(jīng)澆灌好的基礎(chǔ)杯口內(nèi)，經(jīng)校準后用細石混凝土澆灌至基礎(chǔ)頂面。柱腳的作用是將柱子的內(nèi)力通過二次澆灌層傳遞給基礎(chǔ)杯口，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)牢固地結(jié)合在一起，承受上部結(jié)構(gòu)傳來的內(nèi)力和作用。插入式柱腳作用力的傳遞機理與埋入式柱腳的傳遞機理基本相同，只是插入式柱腳的插入部分未設(shè)置栓釘，柱腳下部的彎矩和剪力，主要是通過二次灌漿料對鋼柱翼緣的側(cè)向壓力所產(chǎn)生的彎矩來平衡，軸向力由二次灌漿料的粘剪力和柱底底板反力共同承受。插入深度計算可偏安全的簡單計算。計算采用平截面假定，柱底彎矩和剪力對受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力圖形應(yīng)為三角形，柱腳邊緣混凝土的承壓應(yīng)力應(yīng)滿足下式：

當剪力較小時，忽略剪力V的影響。即得出下式

式中：M-基礎(chǔ)頂面鋼柱的彎矩

當柱腳剪力較大時，尚應(yīng)考慮剪力與彎矩的共同作用。根據(jù)以上分析，杯口基礎(chǔ)混凝土等級不宜太低，二次澆灌層的強度要高。

3.4.2 格構(gòu)柱插入式柱腳

通過工程實踐證明，柱肢插入深度，在保證受壓柱肢底板下混凝土局部受壓承載力和杯口底板受沖切承載力的前提下，插入深度主要由受拉肢軸心拉力控制，經(jīng)試驗和理論分析的綜合研究，插入深度可按下式簡化計算

式中：Nmax-受拉肢的最大軸向拉力

計算插入深度應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定。經(jīng)過對各種形式柱腳插入深度的計算分析和工程實踐經(jīng)驗的總結(jié)，二次澆灌層細石混凝土的強度等級不宜小于C40。獨立杯口基礎(chǔ)的受力狀況與預(yù)制鋼筋混凝土柱杯口基礎(chǔ)基本相同。杯口的杯壁設(shè)計應(yīng)根據(jù)柱腳下部的內(nèi)力計算配筋，并應(yīng)符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。當鋼柱插入基礎(chǔ)梁或片伐基礎(chǔ)時，其受力鋼筋和箍筋及構(gòu)造要求應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標準的規(guī)定。

4 結(jié)語

柱腳設(shè)計原則： 傳力明確，過程簡潔，經(jīng)濟合理，安全可靠，構(gòu)造簡單，并具有足夠的剛度，能使柱子荷載安全傳至基礎(chǔ)。

[1]汪一駿,顧泰昌等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]童根樹,郭立湘.外包式鋼柱腳設(shè)計方法研究.工業(yè)建筑,2008年第10期.

[3] 金波,童根樹.埋入式鋼柱腳的傳力分析和設(shè)計計算.工業(yè)建筑,2008年第7期.

[4]龔思禮等.建筑抗震設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

馬順峰(1980－),男(漢族),山東菏澤人,中級工程師,學(xué)士學(xué)位,主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。