門式剛架結(jié)構(gòu)中剛接柱腳對比分析

焦峙煒

摘要：在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，柱腳是非常重要的連接節(jié)點。柱腳的類型不同，則其施工工藝及直接成本也不相同。以某工程為例，采用功能系數(shù)法對三種不同類型的剛接柱腳進行分析，達到節(jié)約工程成本的效果。

Abstract： The joint of column base is? very important in the design of steel structure. Because of different types for the column base， the construction technology and direct cost are not the same. Giving a project as an example， three different types of rigid column bases are analyzed by using the function coefficient method and the effect of saving engineering cost is achieved.

關(guān)鍵詞：門式剛架;剛接柱腳;功能系數(shù)法

Key words： portal frame;rigid column base;function coefficient method

1? 概述

在門式剛架結(jié)構(gòu)工程中，柱腳是必不可少的結(jié)構(gòu)連接節(jié)點。它能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)的荷載傳遞給基礎(chǔ)，對整個結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性有著非常重要的作用。作為連接鋼柱與基礎(chǔ)的重要節(jié)點，其合理的受力分析和節(jié)點設(shè)計也就顯得尤為必要。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的受力不同，鋼結(jié)構(gòu)柱腳可分為鉸接柱腳和剛性柱腳兩大類。其中，常用的剛接柱腳可分為三類，分別為外露式柱腳、埋入式柱腳以及外包式柱腳。

2? 剛接柱腳類型

2.1 外露式柱腳

外露式柱腳主要由底板、加勁肋、錨栓及錨栓支承托座等組成，各部分相互之間連接應連接可靠。一般情況下，錨栓承受拉力，鋼柱底板下部抗剪鍵承受剪力，壓力則由柱腳底板和混凝土基礎(chǔ)的接觸面?zhèn)鬟f至基礎(chǔ)底部。施工時，應先在混凝土基礎(chǔ)中預埋錨栓，當混凝土達到強度后再進行鋼柱吊裝。在整個過程中，基礎(chǔ)與吊裝作業(yè)能夠分別依次進行，故此種柱腳有施工簡單、工期較短等優(yōu)點。但是，根據(jù)以往震害表明：這種柱腳的破壞特征是錨栓剪斷、拉斷或拔出。因此，外露式柱腳的承載能力較弱，更像是半剛性柱腳。

2.2 插入式柱腳

插入式柱腳是20世紀80年代提出并投入工程應用的一種柱腳連接形式。它是將鋼柱直接插入已澆灌好的混凝土杯口基礎(chǔ)內(nèi)，經(jīng)校準后用細石混凝土二次澆灌固定。上部結(jié)構(gòu)傳遞給柱腳的彎矩和剪力，主要是通過二次澆灌層細石混凝土對鋼柱翼緣的側(cè)向壓力所產(chǎn)生的彎矩平衡，軸向力由二次澆灌層的黏剪力和柱底板反力承受。這種柱腳形式與柱腳剛接的模型較吻合，構(gòu)造也非常簡單（不需加焊栓釘），施工方便，安全可靠。經(jīng)過汶川地震作用的實踐檢驗，這種柱腳具有良好的抗震性能。

2.3 埋入式柱腳

埋入式柱腳由底板、栓釘、錨栓等幾個部分組成。它是將鋼柱腳直接埋入鋼筋混凝土基礎(chǔ)中，基礎(chǔ)包括獨立基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)和基礎(chǔ)梁等。埋入式柱腳內(nèi)力的傳遞是通過柱翼緣接觸的混凝土側(cè)壓力所產(chǎn)生的彎矩，平衡柱腳彎矩和剪力。其鋼柱周圍設(shè)置栓釘，栓釘通過外包混凝土將部分軸壓力傳遞給基礎(chǔ)。與上述兩種柱腳形式相比，其抗震性能好，剛接程度高，承載力比較容易保證。一般多用于多高層建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)以及抗震設(shè)防區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)。其缺點是施工工期較長，施工交叉作業(yè)較多，現(xiàn)場管理難度較大。由于門式剛架的基礎(chǔ)通常為獨立基礎(chǔ)，當采用此種柱腳形式時，需先澆筑獨立基礎(chǔ)底板。待混凝土達到強度后，才能進行鋼柱安裝。鋼柱安裝完成后，方可澆筑獨立基礎(chǔ)底板的上部結(jié)構(gòu)，然后進行基坑回填。從而導致整個現(xiàn)場基坑長時間暴露于外，存在較大的安全與質(zhì)量隱患。

3? 工程實例

某門式剛架輕型廠房，跨度24m（單跨），檐口高度8m，場地類別三類，當?shù)卦O(shè)防烈度為7度（0.1g）。鋼柱采用工廠焊接H型鋼，截面尺寸為H300×300×8×12。根據(jù)上部傳力計算，基礎(chǔ)采用獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底部面積為2.8×2.8（m）。鋼柱嵌固端為-0.500m，獨立基礎(chǔ)埋深為-2.000m。獨立基礎(chǔ)混凝土強度等級為C30，墊層為C15。

當采用外露式柱腳時，具體構(gòu)造如圖1所示。

根據(jù)《2018山西省建設(shè)工程計價依據(jù)-建筑工程預算定額》，方案一的直接工程成本費用如表1所示。

當采用插入式柱腳時，具體構(gòu)造如圖2所示。

根據(jù)《2018山西省建設(shè)工程計價依據(jù)-建筑工程預算定額》，方案二的直接工程成本費用如表2所示。

當采用埋入式柱腳時，具體構(gòu)造如圖3所示。

根據(jù)《2018山西省建設(shè)工程計價依據(jù)-建筑工程預算定額》，方案三的直接工程成本費用如表3所示。

由上述可知，三個方案每平米造價分別為：

C方案一=303.57（元/m2）? C方案二= 260.46（元/m2）

C方案三=307.41（元/m2）

4? 方案比選

價值工程是一種把功能與成本、技術(shù)與經(jīng)濟結(jié)合起來進行技術(shù)經(jīng)濟評價的方法，即利用價值工程對多方案通過功能分析和成本分析進行價值分析，開展方案比選及優(yōu)化，達到降低投資風險、提高方案可行性和經(jīng)濟性的目的，是重要的方案選擇工具。

功能指數(shù)法是價值工程中一種方法，其又稱相對值法。在功能指數(shù)法中，功能的價值用價值指數(shù)來表示，它是通過評定各對象功能的重要程度，用功能指數(shù)來表示其功能程度的大小，然后將評價動象的功能指數(shù)與相對應的成本指數(shù)進行比較，得出該評價對象的價值指數(shù)，從而確定改進對象，并求出該對象的成本改進期望值[1]。

針對所提的兩種方案，擬采用價值工程中功能指樓法對這兩個方案進行比選。首先確定以下四種功能，分別為F1=費用、F2=施工協(xié)同、F3=工期、F4=質(zhì)量。根據(jù)實際情況，每個功能的滿足程度得分如表4所示，四種功能的重要性為F1>F2>F3=F4

則采用（0-4）法，每個功能的權(quán)重如表5所示。

根據(jù)表4與表5，計算出三個方案的功能加權(quán)得分為：

W方案一=9×0.478+9×0.262+10×0.130+8×0.130=9.000

W方案二=10×0.478+10×0.262+10×0.130+9×0.130=9.870

W方案二=8×0.478+8×0.262+9×0.130+10×0.130=8.390

則三個方案功能的總加權(quán)得分為：

W總=W方案一+W方案二+W方案三=9.000+9.870+8.390=27.260

三個方案的功能指數(shù)分別為：

F方案一=9.000÷27.260=0.330

F方案二=9.870÷27.260=0.362

F方案三=8.390÷27.260=0.308

三個方案的成本指數(shù)為：

E方案一=C方案一÷（C方案一+C方案二+C方案三）=303.57÷（303.57+260.46+307.41）=0.348

E方案二=C方案二÷（C方案一+C方案二+C方案三）=260.46÷（303.57+260.46+307.41）=0.299

E方案二=C方案三÷（C方案一+C方案二+C方案三）=307.41÷（303.57+260.46+307.41）=0.353

綜上，三個方案的價值指數(shù)為：

V方案一=F方案一÷E方案一=0.330÷0.348=0.948

V方案二=F方案二÷E方案二=0.362÷0.299=1.211

V方案三=F方案三÷E方案三=0.308÷0.353=0.873

故 V方案二>V方案一>V方案三

由上可知，對于門式剛架結(jié)構(gòu)，當采用插入式柱腳時，其直接成本最低，所得到的效益也最大。

5? 結(jié)論

①對于門式剛架結(jié)構(gòu)的柱腳，應根據(jù)其基礎(chǔ)類型進行選擇。當基礎(chǔ)采用獨立基礎(chǔ)時，可選用外露式柱腳、插入式柱腳和埋入式基礎(chǔ);當基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)時，應選用埋入式柱腳。②由于門式剛架重量較輕，基礎(chǔ)類型多為獨立基礎(chǔ)。根據(jù)價值工程功能系數(shù)法分析可得，應優(yōu)先考慮插入式柱腳和外露式柱腳。其中插入式柱腳不僅僅施工簡單，構(gòu)造可靠，且具有良好的經(jīng)濟的效益。

參考文獻：

[1]但澤義.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019：1523-1523.

[2]徐勇.柱腳剛度對門式剛架受力性能的影響[J].工業(yè)設(shè)計，2015（05）.

[3]陳婷，金天德，符剛.新型高層鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計[J].浙江建筑，2011（09）.