鋼結構柱腳的抗震設計要點分析

陳軍

（山西大同煤礦集團設計研究有限責任公司 山西大同 037003）

1 插入式柱腳抗震設計

插入式柱腳是一種柱腳連接形式，于20世紀80年代被提出和應用。插入式柱腳連接形式主要是指將鋼柱直接插入混凝土杯口內，同時使用二層澆灌層進行固定的一種方式[2]。插入式柱腳連接形式在應用的過程中，上部鋼珠的內力會逐漸傳入基礎，構造也十分的簡單，同時還能夠在很大程度上節約鋼材，因而應用十分廣泛。我國對插入式柱腳也有明確的規定，在抗震設計規范中，明確指出插入的深度必須要通過計算獲得和確定，其中規定最小的插入深度應在單肢截面高度的2.5倍以上，且還應在柱總寬度的0.5倍以上。然而，通過對現行規范的了解，其僅僅對最小值進行了規定，并沒有對計算的公式進行明確。這無疑為工程設計帶來的難度。因此，在計算深度方面，應給予關注和重視。本研究從實腹柱插入和雙肢格構柱插入式柱腳，總結了插入式柱腳抗震設計的要點。

實腹柱主要包括五Z種，即H形鋼柱、矩形管柱和鋼管混凝土柱、圓形鋼管柱和鋼管混凝土柱。不同的類型，其在計算深度方面也各不相同的。其中，鋼柱全截面進入屈服階段時，插入深度的計算公式，如式（1）所示。在式（1）中，d表示鋼柱插入杯口深度，Vpw表示極限剪切力，b表示的是柱翼緣寬度，Mp表示的是彎矩，fy表示的是鋼材屈服強度，fe表示的是混凝土軸心抗壓強度設計值。

圓形鋼柱管和鋼管混凝土柱在地震力的作用下，相比于H鋼柱等，柱的受力情況更是比較復雜，因而在計算的過程中，精度是更加難以保障的。依據相關要求，插入深度的計算公式，如式（2）所示。在式（2）中，D表示的是鋼管外徑，其余參數，詳見公式1。

在計算雙肢構柱插入深度的過程中，目前我國的現行規定中只有原則性的規定，對于基礎杯口內深度計算公式還沒有相應的規定。這就導致在抗震設防區域設計人員難以很好地實現抗震設防的目標。

因此，為進一步提高抗震設計的水平和目標，在應用插入式柱腳方式的過程中，應從以下兩方面給予高度的關注和重視。從杯口基礎這一角度來說，首先在抗震設防區域，應選擇適宜的杯口基礎混凝土強度等級。在選擇的過程中，應對環境類別、設計使用年限以及混凝土的抗壓和抗拉強度等進行考慮。同時，杯口基礎與鋼柱肢的空隙應高于混凝土等級，以確保充填的密度。另外，插入式鋼柱杯口基礎的受力情況與預制混凝土的基本相同，因而應對杯口底板和杯壁的厚度以及承載力應與預制混凝土柱的杯口基礎要求。

2 外包式柱腳抗震設計

外包式柱腳是指鋼柱底板直接與柱腳相連接，并在外部覆蓋混凝土層以增加結構強度的方法。一般情況下外包混凝土都覆蓋有主筋和箍筋兩層，其中頂部結構的箍筋是鋼柱外包部分，需要布設栓釘來強化水平抗拉力，通常鋼柱翼緣的混凝土層厚度在150mm以上，其具體應力分布見圖1。

圖1 外包式柱腳受力狀態示意圖

從圖1中可以看出，在鋼柱和基底連接在一起時，柱腳的彎矩應力由外包混凝土負擔，同時混凝土還承擔著鋼柱的剪力。在鋼柱軸力分布方面，直接通過底板傳導給基礎層，而軸向拉力則通過底板的伸出部分傳遞給基礎層。依據《混凝土結構設計條例》（GT58505-2015）現行標準，對混凝土局部承壓情況進行預算。

柱腳受彎承載力計算公式為：

其中M為彎矩值，AS為鋼筋面積，fb為抗拉強度，h0為受壓區到鋼筋重心的距離，M2為受彎承載力。

3 結論

由于外包式柱腳和插入式柱腳的結構優勢，在現代建筑抗震設計中已經得到了廣泛應用，望本文研究內容得到相關企業及技術人員的重視，加強技術創新與應用實踐，在柱腳抗震設計過程中注意質量控制，更好地提升鋼結構建筑抗震設計水平，為行業發展提供建設性意見。

[1]吳健，王蕓蕓.鋼結構柱腳的抗震設計要點分析[J].建材發展導向：下，2016，14（11）：10050～10051.

[2]葛琳軍.高層鋼結構柱腳的抗震設計[J].建材發展導向：上，2017，15（31）：147～148.