柱脚设计规范-钢结构连接设计手册

1.设计注意事项

1）刚性固定埋入式柱脚是直接将钢柱埋入混凝土基础或基础梁的柱脚。其埋入办法：一是预先将钢柱脚按要求组装固定在设计标高上，然后浇灌基础或基础梁的混凝土；另一种是预先按要求浇灌基础或基础梁的混凝土，在浇灌混凝土时，按要求留出安装钢柱脚用的插入杯口，待安装好钢柱脚后，再用混凝土强度等级比基础高一级的混凝土灌实。一般情况下，前一种方法对提高和确保钢柱脚和混凝土基础或基础梁的组合效应和整体刚度有利，所以在工程实际中多被采用。

2）在埋入式柱脚中，钢柱的埋入深度是影响柱脚的固定度、承载力和变形能力的重要因素，而且有时对于中柱、边柱和角柱，其埋入深度也不尽相同，这就需要选择易于进行混凝土补强的埋入深度来处置。钢柱的埋入深度的构造要求，应按下述2.第1）条的规定采用。

3）为防止钢柱的局部压屈和局部变形，在钢柱向混凝土基础或基础梁传递水平力处压应力最大值的附近，设置水平加劲肋是一个有效的补强措施；对箱形截面柱和圆管形截面柱除设置水平加劲的环形横隔外，在箱内和管内浇灌混凝土也将获得良好的效果。

4）为防止基础或基础梁中混凝土早期的压坏和剪坏，应配置补强钢筋，合理地确定钢柱周边的混凝土保护层厚度及其配筋是很重要的。

在中柱、边柱和角柱中，其混凝土保护层厚度有时是不尽一致，特别在边柱和角柱的柱脚中，对没有设置基础梁的一侧，钢柱翼缘面处的混凝土保护层厚度；中柱不得小于180mm；边柱、角柱的外侧不应小于250mm。

5）配置在钢柱埋入部分中的钢筋，除基础或基础梁应有的配筋外，还应在钢柱周边增设补强垂直纵向主筋、架立筋、箍筋、顶部加强箍筋、基础梁主筋在钢柱埋入部分水平方向弯折处的加强箍筋。

6）在整体框架的内力分析时，对柱脚部分的刚度和刚度区域应留有一定的富余量，刚度区域的高度应比基础或基础梁混凝土顶面高出1.2倍的钢柱截面高度。

2.一般构造要求

1）在埋入式柱脚中，钢柱埋入基础或基础梁的深度S_d，一般可在以下范围内采用：对轻型工字形柱，S_d≥2.0h_c；对大型截面H型钢柱和箱形截面柱和圆管形截面柱，S_d≥3.0h_c。其中h_c为钢柱的截面高度或管径。

2）根据埋入式柱脚内力的传递特点，钢柱脚的锚栓一般仅作安装过程固定之用。因此，锚栓的直径，一般是根据其与钢柱板件厚度和底板厚度相协调的原则来确定，一般可在20～42mm的范围内采用，且不应小于20mm。

铰接柱脚，锚栓的数目常采用2个或4个，同时应与钢柱的截面形式、截面大小，以及安装要求相协调。

锚栓应设置弯钩，或锚板，或锚梁，其锚固长度不应小于25d（d为锚栓直径）。

柱脚底板的锚栓孔径，应取锚栓直径加5～10mm；锚栓垫板的锚栓孔径，取锚栓直径加2mm。垫板的厚度取与柱脚底板厚度相同。

在柱安装校正完毕后，应将锚栓垫板与底板焊牢，其焊脚尺寸不应小于10mm；锚栓应采用双螺母紧固；为防止螺母松动，螺母与锚栓垫板应进行点焊。

在埋设锚栓时，一般应采用锚栓固定架，以确保锚栓位置的正确。

3）焊于钢柱埋入部分的抗剪圆柱头栓钉，对H形截面柱强轴左右两侧的翼缘、箱形截面柱两轴的每侧、圆管形截面柱两轴的每侧（90°扇面），其圆柱头栓钉数目不应小于8ϕ16；栓钉杆长度可在4～6d的范围内采用（d为栓钉直径）；圆柱头栓钉直径可在ϕ13、ϕ16、ϕ19、ϕ22中采用，一般采用ϕ16和ϕ19。

4）在钢柱向混凝土基础或基础梁传递水平力处压应力最大值的附近，应对钢柱采取以下的补强措施。

①对H形截面柱应在腹板的两侧成对设置水平加劲肋（图6-44a），水平加劲肋的厚度一般应等于或大于钢柱翼缘的厚度，加劲肋的宽度与厚度之比（b_s/t_s）不应超过；其连接焊缝应根据发挥加劲肋的强度来确定，一般加劲肋与钢柱翼缘的连接多采用对接焊缝，与腹板的连接焊缝多采用双面角焊缝，焊脚尺寸不应小于8mm。

②对箱形截面柱和圆管形截面柱除在箱内和管内设置水平加劲环形隔板外，还应在箱内和管内浇灌与基础或基础梁相同强度等级的混凝土；填充混凝土的高度，应比箱外或管外基础或基础梁混凝土顶面高出（1.0～1.2）h_c（图6-44b）。

图6-44 埋入式柱脚的钢柱加劲补强

a）H形截面柱 b）箱形截面柱或圆管形截面柱

水平加劲环形隔板的厚度，一般应等于或大于钢柱腹板的厚度，环形隔板的内环直径不应小于80mm；环形隔板与钢柱的连接，可采用坡口对接焊缝或单面角焊缝，焊脚尺寸不应小于8mm。

③必要时，可在柱内水平加劲肋或水平加劲隔板的对应位置增设柱外水平加劲肋，并将基础梁纵向主筋与柱外水平加劲肋相互焊接。

5）埋入式柱脚钢柱的混凝土保护层厚度，应按以下要求确定。

①对在钢柱四边均设有基础梁的中柱，钢柱翼缘外侧面的混凝土保护层厚度不应小于18cm，同时应满足补强配筋和基础梁配筋设置的要求。

②对边柱和角柱，在没有设置基础梁的一侧，钢柱翼缘外侧面的混凝土保护层厚度，应按下述3.第7）条的要求确定，且不应小于25cm。

③虽是中柱，但当有的边没有设置基础梁时，可按边柱和角柱的情况来确定。

6）为确保埋入的钢柱和混凝土基础或基础梁的整体性，在钢柱埋入处的配筋应符合以下的要求。

①在埋入的钢柱四周所配置的垂直纵向主筋，应按下述3.第9）条的要求确定，同时应符合最小含钢率（0.2%）的要求，且其配筋不应小于4ϕ22，并应在上端设置弯钩；垂直纵向主筋的锚固长度l_a（钢柱脚底板底面以下部分的埋置深度）不应小于35d（d为钢筋直径）；当垂直纵向主筋的中距大于200mm时，应增设直径为ϕ16的垂直纵向架立筋；在埋入处的顶部应配置不少于3ϕ12@50的加强箍筋；一般箍筋为ϕ10@100（图6-45）。

②在钢柱埋入处，基础梁的主筋必须固定在钢柱和垂直纵向主筋的外侧，并在基础梁主筋水平方向的弯折扩展处，配置3ϕ12@50的加强箍筋（图6-45）。

图6-45 埋入式柱脚钢柱埋入处的配筋

a）中柱的场合 b）角柱或边柱的场合

③在角柱中或有必要时，在埋入的钢柱外围，有时还应配置双层垂直纵向主筋和复合箍筋。

3.细部设计计算

1）基于埋入式柱脚内力传递的复杂性，因此在进行柱脚的细部设计计算时，一般采用以下的假定（图6-46）。

①轴心压力N由埋入的钢柱的柱脚底板直接传给混凝土基础或基础梁。

②弯矩M的传递有两种方式。

a.全部弯矩M由焊于埋入的钢柱翼缘上的抗剪圆柱头栓钉传给混凝土基础或基础梁；在实际工程设计中，多采用这种传递形式。

b.全部弯矩M由埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土承压力来传递。

图6-46 埋入式柱脚作用内力

③柱脚顶部的水平剪力V由埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土承压力来传递。

④不考虑埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁混凝土在承压应力状态下，由于钢柱翼缘与混凝土摩擦产生的抵抗力。

⑤不考虑埋入的钢柱翼缘与基础或基础梁混凝土的黏结作用。

⑥在确定埋入的钢柱周边对称配置的垂直纵向主筋的面积时，不考虑由钢柱承担的弯矩M。

2）埋入的钢柱柱脚底板长度和宽度，可按式（6-151）确定，同时应满足构造上的要求。

式中 N——柱的轴心压力；

L——柱脚底板的长度；

B——柱脚底板的宽度；

f_c——柱脚底板下混凝土的轴心抗压强度设计值。

3）埋入的钢柱的柱脚底板厚度，可按式（6-152）确定，同时不应小于柱中较厚板件厚度，且不应小于20mm。(www.zuozong.com)

式中 M_imax——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。

4）考虑弯矩由焊于埋入的钢柱翼缘（外侧）的抗剪圆柱头栓钉传递，每侧翼缘需要的圆柱头栓钉数目，应按式（6-153）计算，同时且不应小于8ϕ16。

式中 N_F——由于弯矩M的作用，在埋入的钢柱单侧翼缘产生的轴向压力，计算式为

M——作用于钢柱埋入处顶部的弯矩；

h_c——埋入的钢柱的截面高度；

N_v^c——一个圆柱头焊钉受剪承载力设计值，应按式（6-155）计算，也可按表6-4采用

A_s——圆柱头焊钉钉杆的截面面积；

E_c——混凝土的弹性模量；

f_cc——混凝土的轴心抗压强度设计值；

f——圆柱头焊钉所用钢材的抗拉强度设计值。

表6-4 一个圆柱头焊钉的受剪承载力设计值 （单位：kN）

5）当柱脚内力的传递没有特殊的要求，也不作特殊的处理时，钢柱的埋入深度和钢柱翼缘外侧面的混凝土保护层厚度，应按以下要求确定。

①钢柱埋入基础和基础梁的深度S_d，一般可在以下范围内采用：

轻型工字形截面柱

S_d≥2.0h_c

大截面H型钢柱、箱形截面柱和圆管形截面柱

S_d≥3.0h_c

边柱或角柱的埋入深度，应同时符合式（6-156）、式（6-157）的要求。

式中 S_d——钢柱的埋入深度（cm）；

h_c——钢柱的截面高度（cm），对圆管形截面柱，取h_c=D（管径）；

b_c——钢柱的截面宽度（cm），对圆管形截面柱，近似取b_c≈0.7D；

t_Fc——钢柱的翼缘厚度（cm），对圆管形截面柱为管壁厚度；

C_Rc——钢柱的混凝土保护层厚度（cm）；

f_y——柱子钢材的屈服强度（kN/cm²）；

f_ck——基础或基础梁混凝土的轴心抗压强度标准值（kN/cm²）。

②埋入式柱脚钢柱翼缘外侧面的混凝土保护层厚度C_Rc，应按以下情况确定。

a.对中柱（图6-47a）：保护层厚度C_Rc≥18cm，同时还应满足补强配筋和基础梁配筋的设置要求。

b.对边柱和角柱（图6-47b、c）：钢柱的埋入深度S_d和保护层厚度C_Rc，应同时符合式（6-156）和式（6-157）的要求，且C_Rc不应小于25cm。

图6-47 埋入式柱脚的钢柱翼缘外侧面的混凝土保护层厚度

a）中柱的场合 b）边柱的场合 c）角柱的场合

6）埋入式柱脚的钢柱受压侧翼缘处的基础或基础梁混凝土的受压应力，应符合式（6-158）要求。

式中 M——作用于钢柱埋入处顶部的弯矩；

V——作用于钢柱埋入处顶部的水平剪力；

S_d——钢柱的埋入深度；

W_c——相当于埋入的钢柱翼缘宽度和钢柱埋入深度的混凝土截面的模量，可按式（6-159）计算。

b_Fc——柱的翼缘宽度。

7）设置在埋入的钢柱四周的垂直纵向主筋，应分别在垂直于弯矩作用平面的受拉侧和受压侧对称配置，此时可近似按式（6-160）计算。

式中 M_bc——作用于钢柱脚底部的弯矩，计算式为

M_bc=M₀+V·S_d （6-161）

M₀——柱脚的设计弯矩；

V——柱脚的设计剪力；

h_s——受拉侧与受压侧纵向主筋合力点问的距离；

f_sy——钢筋抗拉强度设计值。

对双向受弯的柱脚，其两方向的垂直纵向主筋也应在双轴对称配置。此时可近似地分别根据各向的作用弯矩按式（6-160）计算所需要的钢筋面积进行配置。