埋入式钢柱脚的传力分析和设计计算
金 波
(杭州广播电视大学 杭州 310012)
童根树
(浙江大学建筑工程学院 杭州 310027)
摘 要:对埋入式钢柱脚的设计方法进行了研究,分析了其传力的机理。指出因为栓钉的存在,钢柱必然传递一部分轴力给外包混凝土柱,利用组合柱理论对外包混凝土的压力进行了计算,得到了简单的公式,通过算例发现,传递到外包混凝土的轴力是总轴力的25%~35%。根据这个传递比例,提出栓钉验算和柱脚底板计算的方法。同时,根据混凝土埋入式钢柱脚的弯矩和剪力的传递,介绍了混凝土埋入式钢柱脚抗弯强度的计算公式,对于边柱和角柱,提出了沿整个埋入深度设置水平U 形钢筋的要求和计算方法。对于竖向抗冲切不足的问题,介绍了设置水平短钢梁将竖向力扩散到更大范围的方法。 关键词:埋入式钢柱脚 荷载传递 抗剪强度 组合柱
A STU DY ON DESIGN METHOD OF BURIED STEEL COLUMN BASES
Jin Bo
(Hangzhou Radio and TV University Hangzhou 310012)
Tong Genshu
(School of Archi tecture &Engineering,Zhejian g Universi ty Hangzhou 310027)
Abstract :A theoretical s tudy is carried out on the current design approach of embedded steel colu mn bases.The load transfer within embedded bases is analyzed.Because of the studs,part of the axial load is transferred from steel to foundation concrete.An analytical solution is presented for the ax ial load in the concrete.Through calculated examples it is found that the axial force i n the concrete is 25%~35%of the total axial force of the column.Based on this finding,the design methods of shear stud and the column base plate are proposed.Based on the shear and bending moment transfer of the embedded s teel column bases,the strength check is proposed,and for side columns and corner columns,horizontal U rebars are proposed to preven t horizontal punch shear failure of concrete,method for determining the area of the U rebars is presented.Embedded steel column bases have inadequate vertical punch shear strength below.It is presented a method for avoiding this punch shear failure by adding horizontal short steel beams at the base.Keywords :embedded steel column base load transfer shear strength composi te column
第一作者:金 波 男 1972年10月出生 硕士 讲师 全国注册监理工程师
E-mail:jb@https://www.doczj.com/doc/712229519.html,
收稿日期:2007-12-20
1 概 述
埋入式钢柱脚即将钢柱埋入钢筋混凝土基础中,基础可以是基础梁、独立基础和片筏基础,其构造如图1所示,柱脚传递轴力、剪力和弯矩。
埋入式柱脚的埋入深度一般是2倍的柱高(工字形截面柱)到2 5倍的柱高(箱形截面柱子和圆形、方矩形钢管混凝土柱子)。钢柱到外侧混凝土边的最小距离,按照 高层民用建筑钢结构设计规程 (JGJ 99-98)至少要求250mm 。这些要求一般均容易满足。
埋入钢柱打断了混凝土基础梁的上皮钢筋,虽然此处钢筋一般受压,但是仍然要采取措施使得至少50%及以上的钢筋连续。当柱子截面小时,钢筋可以绕过柱子,但是如果柱子截面大,则应该在对应部位的钢柱上焊接水平板,钢筋焊接在水平板上,使得钢筋内的传力连续,如图2所示。
外包式柱脚传力分析如下:
1)轴力的传递。由于布置了栓钉,在向下的钢柱轴力作
用下,必然会有一部分轴力传递到混凝土上,因此钢柱轴力向下逐渐变小,而混凝土内轴力逐渐变大,见图1。
传递到混凝土内的轴力的上限按照钢截面和外包混凝土截面的轴压刚度进行分配。由于钢柱埋入混凝土的深度较小,而栓钉是一种柔性抗剪连接件,在钢-混凝土的界面上,钢与混凝土将产生相对的滑移,通过栓钉传递到周围混凝土的压力将比按照刚度分配的更小,一般为20%~35%,但也受到钢截面的轴压承载力和混凝土截面的轴压承载力之比的限制。其余的轴力要传递到钢柱底部的混凝土,下部混凝土要进行抗冲切的验算。钢柱脚底部的钢筋混凝土,要与钢柱侧面的受剪栓钉破坏时的变形协调,栓钉才能够与底
98 Industrial Construction Vol 38,No 7,2008
工业建筑 2008年第38卷第7期
部的混凝土一起共同传递竖向轴力。
图1 埋入式柱脚构造及其轴力的传递
Fi g.1 Embedded Column Base Detailing and Transfer of a xial force into Foundation
a-地梁上皮钢筋;b-地梁下皮钢筋1-焊接水平连续板,焊接基础梁上皮钢筋;
2-基础梁钢筋在柱底板下部通过(如果在底板下部较远处,则布置钢筋网1~3层,增强底部混凝土的局部承压能力)
图2 埋入式柱脚部位基础梁钢筋
Fi g.2 Reinforcement of foundati on beams around embedded column base
2)弯矩和水平剪力的传递(图3、图4)。水平剪力对于基础地梁来说产生轴压力,而弯矩也是由地梁内产生的弯矩来平衡,这与外包混凝土完全不同。外包混凝土的钢柱脚,是将柱脚截面的弯矩全部传递到外包混凝土截面内的竖向钢筋,而这里的埋入式钢柱脚,虽然也在钢柱周围配置竖向钢筋,但是,这些竖向钢筋的底部锚固不够,而顶部也未伸出基础表面,因此这些钢筋不能承担弯矩。所以埋入式柱脚的弯矩是由地梁截面的弯矩来平衡的(地梁与钢柱构成倒置的框架)
。
图3 中柱柱脚的受力
Fi g.3 Forces in mi ddle embedded column base
在地梁的反力作用下,中柱四周的混凝土,在上面的部分处于受压状态,对于锚固钢柱非常有利,也有利于增加栓钉的抗滑移刚度。
钢柱周围的混凝土地梁的箍筋要加密,以防止在往复的地震荷载(或风荷载)
作用下发生混凝土局部压碎。
图4 水平弯矩的计算Fig.4 Calculation of bending moment
2 外包式柱脚中轴力的传递
记E c A c 为混凝土轴压刚度,它随埋入深度而变化,但是为了简化,假设它不变,取一个中间值来作为混凝土轴压刚度的代表值,E s A s 是钢截面的轴压刚度,q u 是混凝土和钢截面上的界面剪力,钢柱子的轴力为N s ,混凝土柱子承受的轴力为N c ,参考图5,微元平衡方程为:
d N c
d x =q u (1a)d N s
d x
=-q u (
1b)
图5 埋入式钢柱脚中竖向力的传递Fig.5 Transfer of vertical force i n embedded
column base into foundation
99
埋入式钢柱脚的传力分析和设计计算!!!金 波,等
令钢-混凝土界面的抗滑移刚度为k ,界面上钢和混凝土的竖向位移差是s 0,它是钢柱截面向下位移u 10和混凝土柱截面向下位移u 20的差值:u 10-u 20=s 0,单位高度上的界面抗滑移力为:
q u =ks 0
(2)N s =E s A s u 10 (以拉为正)(3a)N c =E c A c u 20 (以拉为正)
(3b)
总体平衡方程是N s +N c =N ,即E s A s u 10+E c A c u 20=N 。
式(3a)乘以E c A c ,式(3b)乘以E s A s ,然后相减,并求导一次,再利用式(1a)、式(1b)和式(2)得到:
E s A 0s ?0-ks 0=0
(4)
式中,E s A 0=E s A s E c A c
E s A s +E c A c 。记 =
k (E s A 0),则式(4)的
解为:
s 0=C 1sin x +C 2cos h x
边界条件是:固定端,x =l 时s 0=0。上端x =0时,因为N c =0,所以E c A c u 20=0,u 20=0,N s =-N ,所以E s A s u 10=-N ,u 10=-N E s A s ,s 0=u 10-u 20=-N E s A s
。
将以上边界条件代入得到:C 2=-sinh l
cosh l C 1
,C 1=-N
E s A s
。所以:s 0=-N E s A s sinh x -sinh l
cosh l
#cosh x
q u =ks 0=-kN E s A s sinh x -sinh l
cosh l #cosh x
钢柱轴力
N s =-N +
?
l
q u d x =-N +
kN
2
E s A s
#
1-cosh x +
sinh l
cosh l
#sinh x 底部截面钢柱轴力
N s =-N 1-11+E s A s (E c A c )#
cosh l -1
cosh l (5)
其中 l =l
k
E s A 0
=l k (E s A s +E c A c )
E s A s E c A c
。
设栓钉总数是n ,钢柱埋入混凝土的高度是l ,则:
k =1 4n N s v
l
N mm 2
(6)
在底部,混凝土承受的压力为:
N c =N -N s =cosh l -1
cosh l #E c A c E c A c +E s A s
#N
(7)
即混凝土的轴力,按照刚度分配,乘以折减系数1-1cosh l
。下面举例说明。
算例1:钢柱截面H500%500%20 30,栓钉直径19mm,l =1 2m,N s v
=80kN mm,n =(1200 150)%8=64,k =1 4%80000%64 1200=5973 3N mm 2,A s =38800mm 2,A c =1000#1000-38800=961200mm 2,E s =206%103MPa,E c =30%103MPa,E s A 0=206000%38800%30000%961200206000%38800+30000%961200
=6 2589#
109N, l =12005973 36 258%103
=1 1724,cosh l =1 7696,轴
压刚度比
E s A s E c A c =206000%3880030000%961200
=0 2772,抗压强度比:A s f A c f c =205%3880014 3%961200
=0 5787。按照式(5):N s =-N 1-11+0 2772#1 7696-1
1 7696
=-0 6595N
即被传递到混凝土的部分为34%。如果按照刚度分配,则N c =
1
1+0 2772
N =0 7830N ,这说明埋入式柱脚内的柱子
轴力不可能按照刚度分配。
算例2:如果是钢管混凝土柱子,则在应用上面的式子时用A &s =A s +A c 内 E 代替A s ,而A c 只计算钢管外面的混凝土。设方钢管截面为450%25,外侧C30混凝土考虑250厚,管内混凝土也是C30,A s =42500mm 2,钢管内混凝土换算成钢截面:4002%
30206
=23300m m 2,所以A &s =65800mm 2
。外包混凝土面积A c =9502-4502=700000mm 2,埋入深度1 2m 。
E s A 0=
206000%65800%30000%700000
206000%65800+30000%700000=
8237 66%106N
l =1200mm,N s v =80000N
mm n =(1200 150)%8=64,k =5973 3N mm 2
l =1200
5973 3
8237 66%106
=1 02185
cosh l =1 56913
cosh l -1
=0 3627
N c =
0 3627E c A c
c c s s
N =0 2204N
即传递到混凝土的有22 04%。
算例2的栓钉改为直径22mm,则:N s v =0 43%0.7854%222
30000%14.3=107061N mm l =1 02185%107061
80000
=1 1821
cosh l =1 78394
cosh l -1
cosh l
=0 43944
N c =0 2204
0 43944
0 3627
N =0 267N
即栓钉刚度增加107061 80000-1=33 8%,混凝土分担的力增加21%。
如果栓钉直径是22mm,但改为每边3排,则n =12,水平间距是50+175+175+50mm,纵向间距150mm,仍然满足栓钉排列的要求。则l =1200mm,N s v =107061N mm,n =(1200 150)%12=96,k =1 4%107061%96 1200=11990 83N mm 2, l =1200
11990.83
8237.66%106
=1.44778,cosh l =2.446,
cosh l -1cosh l =0.55444,N c =0.55444E c A c E c A c +E s A s N =0.55444
1.6455N =0.
33694N 。这说明传递到混凝土部分的力达到了1 3。
从钢柱传递到周围混凝土的力,按照对埋入式柱脚的分
100
工业建筑 2008年第38卷第7期
析,不宜、实际情况也很难超过1 3。以对埋入式柱脚传力进行分析的算例3为例,一个横截面上布置了12颗直径为22mm 的栓钉,设混凝土面积增加一倍(外包375mm 厚),其他参数不变,则k =11990 83N mm 2
,有:
E s A 0=
206000%65800%30000%700000%2
206000%65800+30000%700000%2=
10247 57%106
N l =1200
11990 83
10247 57%106
=1 2981
cosh l =1 96762
cosh l -1
cosh l
=0 49177
N c =0 49177E c A c c c s s N =0.49177
N =0.3718N
这说明,即使这种情况下通过栓钉传递到混凝土部分的力仅为37%。因此在设计时,如果不采取其他措施,钢柱柱底的混凝土仍然起到主要传递轴力给混凝土的作用。3 埋入式柱脚的设计步骤
根据以上分析,提出中柱的埋入式钢柱脚的设计方法如下:
1)埋深:H 形截面柱子,埋深为2倍~2 5倍截面高度;箱形柱子或矩形钢管混凝土柱子,埋深为2 5倍~3 0倍截面高度,如采取措施,经计算满足要求时,也可以采用2倍的埋深。
2)混凝土外皮离开柱子的最小距离应大于等于250mm;箱形钢柱埋入基础的部分必须浇灌混凝土,并且要灌到基础顶面1倍柱高的地方。
3)在包脚高度范围内应按照构造要求,尽量多地布置栓钉,栓钉直径为19mm 或者22mm,不宜更小,构造要求为:栓钉竖向间距大于等于6d s ,横向间距大于等于4d s ,栓钉中心到钢柱边的距离是50mm,还要考虑栓钉的施焊空间;栓钉的数量要保证能够承担柱轴力的25%~35%。
4)钢柱周围的竖向钢筋,按照与栓钉等强布置。5)钢柱底板的厚度按照如下的方法确定:参考图6,记底板厚度为t p ,c =1 5t p ,工字钢柱子的柱底混凝土局部承压面积:
A c =2(2c +t f )(b f +2c )+(h w -2c )(2c +t w )(8a)此时,钢柱底板的理论大小为(b f +2
c )%(h +2c ),实际则可以比这个尺寸大。
图6 钢柱底板下混凝土有效承压面积Fig.6 Effective concrete beari ng area under col umn base
方钢管柱柱底局部承压混凝土的面积:
A c =(b +2c )2-(b -t -2c )2
(8b)
此时,钢柱底板的大小还要考虑到为了安装柱子需要的临时锚栓的布置。安装锚栓建议采用M24~M42,底板的大小为(b +200)%(b +200)。根据钢筋混凝土设计规范计算局部承压强度:
N -N c
A c
?1 35 c l f c
(9a)
其中 l =
A b A c
对于方钢管和截面高度等于宽度的H 形截面, 1等于3。为了确保安全,在柱脚设计中建议采用(C50及以下):
N -N c
A c
?3f c
(9b)
选择t p 使得式(9b)满足为止。
6)箍筋的布置和其他要求见图1。
7)按照图4的计算模型,计算边缘混凝土的最大压力不要超过混凝土的抗压强度。即取截面为b c H c ,H c 是埋深,b c 是柱子宽度,按照弹性实体截面计算应力:
!c =
V b c H c +6M b c H 2c
?f c
(10) 对于边柱和角柱传递到混凝土的竖向力,比例分别比中柱略少或基本相同,可以取30%。要注意钢柱外侧的混凝土厚度不得小于250mm 。钢柱底板传递的竖向力仍要求达到70%,因为下部混凝土抗冲切的需要,钢柱外侧力混凝土外皮仅有250m m 往往是不够的。
需要注意的是弯矩和剪力的传递。弯矩和剪力的方向可以变化,使得混凝土发生水平冲切破坏,如图7所示,因此设计的关键是要布置竖向架立筋和水平U 形钢筋,阻止这种水平冲切破坏。水平抗冲切U 形钢筋的数量可以根据图4所示的混凝土压力的合力,按照钢筋混凝土规范计算。锚固长度从柱内侧的钢翼缘外皮起计算。
基础竖向冲切不够的处理:如果采用筏板基础,或者独立基础下部没有桩,基础底部不想向下挖深以布置钢筋混凝土满足抗冲切的要求时,此时70%的钢柱轴力难以依靠栓钉传递,此时应在筏板基础和基础地梁内布置水平钢梁,如图8所示,此时栓钉承受的部分不宜超过20%,钢梁截面高度不宜超过混凝土梁高的2 3,钢梁伸出长度外高度的1 5倍~2倍。钢柱底板不再传递竖向轴力,柱子底板也仅需要按照最小配置,短钢梁上下翼缘和腹板上均焊接栓钉。4 结 语
本文对埋入式钢柱脚的设计方法进行了分析研究,分析了其传力的机理。因为栓钉的存在,钢柱必然传递一部分轴力给周围混凝土柱。本文通过研究得到了混凝土压力的计算公式,通过算例对混凝土内的压力的比例进行了计算,发现通常的比例是柱子轴力的25%~35%。根据这个比例,提出栓钉验算和柱脚底板计算的方法。
根据混凝土埋入钢柱脚的弯矩和剪力的传递,介绍了混凝土埋入式柱脚抗弯强度的计算公式,对于边柱和角柱,提出了沿整个埋入深度设置水平U 形钢筋的要求和计算方法。
101
埋入式钢柱脚的传力分析和设计计算!!!金 波,等
对于竖向抗冲切不足的问题,介绍了设置水平短钢梁将竖向力扩
散到更大范围的方法。
a-立面;b-边柱;c-角柱图7 角柱及抵抗水平冲切的钢筋
Fi g.7 Corner column and reinforce ment to resis t horiz ontal punching s hear
图8 埋入式柱脚两侧焊接短钢梁抵抗冲切Fig.8 Welded s tub beams used to resis t vertical shear on
both sides of embedded column bas e
参考文献
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4 李国强.多高层建筑钢结构设计.北京:中国建筑工业出版社,
2004
(上接第33页) 由图可见:
1)模拟地震作用的烈度等级越高,模型结构的位移反应越大;并且由于模型X 方向抗侧刚度小于Y 方向抗侧刚度,X 方向的位移反应大于Y 方向的位移反应。
2)在人工波作用下模型结构第3、5、9层层间位移角有突变,形成结构薄弱层。3 结论及建议
1)结构平面及竖向布置不规则,质量中心与刚度中心偏差较大,结构抗扭刚度相对较小,地震作用时结构扭转变形明显。
2)结构抗侧刚度衰减幅度较大,表明结构延性不足。3)顶部鞭梢效应和空间构架抗侧刚度偏弱致使屋顶构架早期就发生破坏,地震反应明显。
4)不同地震波有不同的频谱特性、场地土类型和持续时间,因而引起结构不同的地震反应。模型结构在人工波作用下地震反应较大,其次是El Centro 波,场地波引起的地震反应较小。
为使结构设计更合理,笔者建议:
1)结构两个核心筒的外墙在地震作用下出现裂缝较多,表明其承受较大地震剪力,为提高其抗侧刚度和延性,建议墙体加厚50mm,并增大墙体水平钢筋配筋率。
2)屋顶构架框架柱的配筋加强,提高配箍率。
3)为控制结构扭转效应,可将(轴线上, ~ 轴线之间的剪力墙适当加厚,并向内延伸一跨。
参考文献
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5 J GJ 101-9
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7 GB 50011-2001 建筑抗震设计规范
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102
工业建筑 2008年第38卷第7期
钢结构的二次浇注与柱脚包裹施工流程及操作要点 0引言 传统钢结构的二次浇注与柱脚包裹都是分开施工。一般的设计要求是二次浇注为5cm的C35细石混凝土,柱脚包裹为15-55cm的C15混凝土。传统施工工艺中,两种混凝土要分部位、分时间、分层次的分别浇注。从多次实际施工经验中发现,这种设计施工方式,既延长了施工周期,同时又加大设施料的投入,最重要的是施工质量难以达到设计及规范要求,如由于混凝土施工厚度及施工部位的制约影响,在完成混凝土振捣后,往往会出现麻面、漏浆等质量问题,且局部混凝土的回弹强度值也出现了达不到设计要求的情况。为了改变这一传统施工方法中存在的诸多问题,结合本工程特点,将二次浇注与柱脚包裹的混凝土进行一次性统一浇筑施工。工艺进行改变后,施工成本、施工周期、施工质量等较以前都有较大提高。 1施工工艺特点 本施工工艺主要特点是大大缩短了施工周期,与传统施工时间相比,效率提高了2/3,提高了施工质量,降低了施工成本,特别对实体工程的质量有较大提高,如混凝土外观,强度等。 2试用范围 本施工方法适用于地脚螺栓式钢结构柱脚混凝土的施工。
3工艺原理 将二次浇注与柱脚包裹混凝土统一进行施工,采用高强度的混凝土,也提高了柱脚的抗剪能力;结合工程特点,设计成统一的定型模板进行加固,统一采用C35细石混凝土进行浇筑。 4施工工艺流程及操作要点 4.1二次浇注与柱脚包裹混凝土一次性施工工艺流程 钢柱垂直度矫正、验收→钢柱法兰的垫板焊接、螺母拧紧检查、验收→承台短柱混凝土表面浮土清除及刷素水泥浆→支设定型模板、涂刷脱模剂→模板平面位置、尺寸、及标高验收→混凝土分层浇筑→拆模、养护→下一工作面施工。
第八章基础设计 第一节基础设计的特点 由于结构型式、荷载取值、支座条件等方面的不同，传至基础顶面力是不同的，轻钢结构与传统的砼结构相比，最大差别就是在柱脚处存在较小的竖向力和较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩，在风荷载起控制作用的情况下，还存在较大的上拔力。柱底水平力会使基础产生倾覆和滑移，基础受上拔力作用，在覆土较浅的情况下，会使基础向上拔起，有关这方面的问题，后面再作详述。由于轻钢结构的这些受力特点，导致其基础设计与其它结构存在很大的不同，主要表现在以下几个方面： ⒈基础形式 基础型式选择应根据建筑物所在地工程地质情况和建筑物上部结构型式综合考虑，对于砼结构基础，常见的基础型式有独立基础、条形基础、片筏基础、箱形基础、桩基等等，而对于轻钢结构而言，由于柱网尺寸较大，上部结构传至柱脚的力较小，一般以独立基础为主，若地质条件较差，可考虑采用条形基础，遇到暗浜等不良地质情况，可考虑采用桩基础，一般
只存在轴向力N和水平力V，对于刚接柱脚，除存在轴向力N和水平力V之外，还存在一定的弯矩M，从而使刚接柱脚的基础大于铰接柱脚。 ⒊基础破坏形式 要正确进行基础设计，首先要知道基础破坏形式，对其工作原理有所了解。 对于砼结构，通常柱网尺寸较小，故柱底水平力相对较小，基础一般不会产生滑移现象，又由于上部结构自重很大，足以抵抗风荷载作用下产生的上拔力，故
基础也不会产生上拔的可能，对于这种结构，基础主要发生冲切、剪切破坏；而轻钢结构则不同，基础除发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏，另外，在风荷载较大的情况下，特别对于一些敞开或半敞开的结构，由于轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，导致基础上拔破坏。为防止这些破坏的发生，最经济有效的方法是增加基础埋深，即增加基础上覆土的厚度，但增加了土方开挖和回填工程量。另外对于轻钢结构基础，还须预埋锚栓（也称地脚螺栓），用于上部结构和基础的连接，若锚栓离砼基础边缘太近，会产生基础劈裂破坏，所以我国钢结构设计规规定了锚栓离砼基础边缘的距离不得小于150mm；若锚栓长度过短，会使锚栓从基础中拔出，导致破坏，所以规也规定了锚栓埋入长度。 ⒋基础设计容 基础设计一般包括基础底面积确定、基础高度确定和配筋计算，还应符合有关构造措施。基础底面积可根据地基承载力确定，同时还应考虑软弱下卧层存在；基础高度由冲切验算确定；在基础底面积和高度
埋入式柱脚设计 本工程设计柱与柱脚的连接板、锚栓均采用q345钢，柱脚采用刚性埋入式柱脚，采用c30混凝土fc=14.3n/mm2,ft=1.43n/mm2，箍筋和纵筋均采用hrb400钢筋（fy=360n/mm2）。柱埋入深度都为900mm，混凝土保护层厚度为200mm。 () 抗震作用下最不利的一组内力： m=-209.973kn?mn=-1440.320knv=55.53kn （1）底板设计 选取l=428+50?2=528mm，b=407+20?2=447mm。 底板以下混凝土承载力验算 n1440320σc===6.1n/mm2 lb528?447 柱截面自由宽度b2=193.5mm，腹板高a2=358mm，底板悬臂长度a1=50mm查《钢结构节点设计手册》表8-4，得系数α=0.068
2m1=α1σca2=0.068?6.1?3582=53162n?mm 11 m2=σ ca12=?6.1?502=7625n?mm 22 t≥ ==35.7mm，同时不应小于柱较厚板件的厚度且 不宜小于30mm，因此底板厚选为36mm。 柱与底板连接：柱翼缘采用完全焊透坡口对接焊缝，腹板采用双面角焊缝连接hf=8mm（无引弧板）。lw=428-2?35-2?24-2?8=294mm 焊缝应力：σn= σm n1440320 ==45.31n/mm2 2af+aew2?407?35+2?0.7?8?294
m209.973?106==wf?132? ?407?35+407?35?196.5??12=74.82n/mm2.5 v55.53?103 τv===16.86n/mm2 aew2?0.7?8?294 翼缘焊缝承受的最大压应力σmax=σn+σm=120.13n/mm2 ?σn σw= β腹板焊缝最大应力?f2 ?45.31??+τv2=?+16.862=40.78n/mm2???1.22?? 2 ≤ffw=200n/mm2 满足要求。 （2）锚栓设计 锚栓起安装固定底板的作用。按构造要求取锚栓直径24mm，埋
浅析钢结构柱脚设计要点 柱脚的构造使柱身的内力可靠的传给基础，并和基础有牢固的连接。柱脚的连接形式有铰接和刚接两种形式，铰接柱脚不承受弯矩，只承受轴向压力和水平剪力，剪力通常由底板和基础表面的摩擦力传递，当此摩擦力不足以承受水平剪力时，应在柱脚底板下设置抗剪键，抗剪键可用方钢、短T 字钢和H 型钢做成。刚接柱脚承受弯矩，轴向压力和水平剪力。本文简述柱脚底板区格划分及计算，阐述其施工时需要注意的问题和施工控制重点，并对柱脚施工时出现的问题，提出具体处理方法。 1 柱脚计算 1.1柱脚底板面积计算 底板截面尺寸决定于基础材料的抗压能力，柱脚底板和基础接触面为作用力与反作用力，基础对底板的压应力可近似认为是均匀的，柱脚底板所需净面积 A n （柱脚底板长乘宽，减去锚栓孔面积）为： A n ≥ N 为柱承受轴向压力；c f 为基础混凝土的抗压强度设计值；c β为混凝土局 部承压时的强度提高系数，c f 、c β均按设计规范取值。 1.2 柱脚底板厚度计算 底板的厚度由板的抗弯强度决定，底板可视为一个支撑在靴梁、隔板和柱端的平板，承受基础传来的均匀反力，靴梁、隔板和柱端面均可视为底板的支撑边，并将底板分割成不同的区格，其中有四边支撑、三边支撑、两相邻边支撑和一边支撑等区格。在均匀分布的基础反力作用下，各区格板单位宽度上的最大弯矩为： 1.2.1 四边支撑区格板：2qa M α= q 为作用于底板单位面积上的压应力，q=N/ A n ；a 为四边支撑短边长度；α为系数，根据长边b 与短边a 之比按表一取值 表1 α值 1.2.2 .三边支撑区格和两相邻边支撑区格：M=βqa 12 a 1为三边支撑区格自由长度，两相邻边支撑区格为对角线长度；β为系数， b/a 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 3.0 ≥4.0 α 0.048 0.055 0.063 0.069 0.075 0.081 0.086 0.091 0.095 0.099 0.101 0.119 0.125 C C f N β
端部设计类型: 箱形柱刚接柱脚(1); 此类端部个数:4 节点抗震设计抗震调整系数按<建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)>取值 端部所在节点号: 113; 111; 524; 526; 端部所在单元号: 56; 55; 886; 887; 截面名称：焊接矩形截面□500×400×16×16; 相关杆件单元： 截面名称：; 下面的计算结果由这4个端部在计算模型中所有荷载组合中轴力，剪力，弯矩的最大，最小值经计算得到 构件抗拉强度(N/mm2):310.00 构件抗剪强度(N/mm2):180.00 焊缝抗剪强度(N/mm2):200.00 钢材牌号: Q345 接触面处理方法: 喷砂 高强螺栓类型: 摩擦型 螺栓等级: 10.9级 锚栓信息: 直径d0(mm): 30 锚栓排列: 3 行 3 列 行间距: 775.00 列间距: 500.00 底板抗拉强度设计值(N/mm2):265.00 锚栓抗拉强度设计值(N/mm2):180.00 砼轴心抗压强度设计值(N/mm2):11.90 锚栓最大拉应力(N/mm2):8.96 砼最大压应力(N/mm2): 3.86 砼轴心抗压强度设计值提高系数:1.22 最大水平剪力(N):128925.03 抗剪承载力(N):452293.82 底板区格最大弯矩(N.mm): 93563.31 连接板信息: 板号板长(mm) 板宽(mm) 板厚(mm)
1 1670 1120 46 板号板长(mm) 板宽(mm) 板厚(mm) 2 430 360 36 板焊缝高度(mm): 14 板号板长(mm) 板宽(mm) 板厚(mm) 3 430 360 36 板焊缝高度(mm): 14 端部设计类型: 箱形柱刚接柱脚(1); 此类端部个数:21 节点抗震设计抗震调整系数按<建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)>取值 端部所在节点号: 115; 121; 123; 135; 143; 147; 151; 155; 161; 131; 145; 149; 153; 157; 159; 163; 179; 181; 183; 165; 185; 端部所在单元号: 57; 60; 61; 66; 70; 72; 74; 76; 79; 895; 71; 73; 75; 77; 78; 80; 88; 89; 90; 81; 91; 截面名称：焊接矩形截面□350×350×10×10; 相关杆件单元： 截面名称：; 下面的计算结果由这21个端部在计算模型中所有荷载组合中轴力，剪力，弯矩的最大，最小值经计算得到 构件抗拉强度(N/mm2):310.00 构件抗剪强度(N/mm2):180.00 焊缝抗剪强度(N/mm2):200.00 钢材牌号: Q345 接触面处理方法: 喷砂 高强螺栓类型: 摩擦型 螺栓等级: 10.9级
Annex 2: Form of Submission for JCPL Best Practice (Submit your contribution (Annex 2 form and soft copy of the proposal) via email to kmd@https://www.doczj.com/doc/712229519.html,) Author (s)/作者: 徐丽惠 Originator: Dept/部门: 设计部 Title of Submission /题目: 钢结构柱脚锚栓计算方法 A. Types of Submission /类型: ( ? Please tick 1 of the submission type /请选择其中一项) B. Category/专业分目:( ? Can tick more than 1 field/可多选) ?Research Papers/研究报告 ?Design Resources & Details/设计资源及细节 ?Procedures/过程 ?Forms & templates/表格及样本?Others/其它By Discipline: ?Architectural ?Civil ?Structural ?Mechanical ?Electrical ?Quantity Surveying ?Masterplanning ?Others: Facility Management By Project Phases: ?Business Development ?Design & Documentation ?Authority Submission ?Construction ?Post Construction ?Others_____________ C. Synopsis/ 摘要:关于钢结构柱脚锚栓的计算方法 D.Keywords/关键词:柱脚锚栓计算方法 E. Contents/内容:见附件 F. Date of Submission/上交日期: 8／10／２００３ G. Signature of Originator/作者签名: 徐丽惠
软件主要针对型钢混凝土埋入式刚性柱脚节点，计算主要遵循《钢结构连接节点设计手册》（第二版）及《钢骨混凝土结构设计规程》（YB 9082-2006）中的相关条文及规定。 《钢结构连接节点设计手册》（第二版）中埋入式柱脚相关技术内容，主要针对钢柱做埋入式柱脚节点。设计注意事项 刚性固定埋入式柱脚时直接将钢柱埋入钢筋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。通常情况下，前一种方法对提高和确保钢柱脚和钢筋混凝土基础或基础梁的组合效应或整体刚度有利，所以在工程实际中多被采用。 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钢筋混凝土补强的埋入深度来处理。 为防止钢柱的局部压屈和局部变形，在钢柱向钢筋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；对箱型截面柱和圆管形截面柱处设置水平加劲肋的环形横隔板外，在箱内和管内浇灌混凝土也将获得良好的效果。 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钢筋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，其钢筋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，钢柱翼缘面处的钢筋混凝土保护层厚度；中柱不得小于180mm；边柱、角柱的外侧不宜小于250mm。 配置在钢柱埋入部分中的钢筋，出基础或基础梁应有的配筋外，尚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。
圆形底板刚接柱脚压弯节点技术手册 2011年10月28日16:13先闻公司15次阅读共有评论0条 根据对柱脚的受力分析，铰接柱脚仅传递垂直力和水平力；刚接柱脚包含外露式柱脚、埋入式柱脚和外包式柱脚，除了传递垂直力和水平力外，还要传递弯矩。 软件主要针对圆形底板刚接柱脚压弯节点，计算主要遵循《钢结构连接节点设计手册》（第二版）中的相关条文及规定，并对相关计算过程自行推导。 设计注意事项 刚性固定外露式柱脚主要由底板、加劲肋（加劲板）、锚栓及锚栓支承托座等组成，各部分的板件都应具有足够的强度和刚度，而且相互间应有可靠的连接。 为满足柱脚的嵌固，提高其承载力和变形能力，柱脚底部（柱脚处）在形成塑性铰之前，不容许锚栓和底板发生屈曲，也不容许基础混凝土被压坏。因此设计外露式柱脚时，应注意：（1）为提高柱脚底板的刚度和减小底板的厚度，应采用增设加劲肋和锚栓支承托座等补强措施； （2）设计锚栓时，应使锚栓在底板和柱构件的屈服之后。因此，要求设计上对锚栓应留有15%~20%的富裕量，软件一般按20%考虑。 （3）为提高柱脚的初期回转刚度和抗滑移刚度，对锚栓应施加预拉力，预加拉力的大小宜控制在5~8kN/cm2的范围，作为预加拉力的施工方法，宜采用扭角法。
（4）柱脚底板下部二次浇灌的细石混凝土或水泥砂浆，将给予柱脚初期刚度很大的影响，因此应灌以高强度微膨胀细石混凝土或高强度膨胀水泥砂浆。通常是采用强度等级为C40的细石混凝土或强度等级为M50的膨胀水泥砂浆。 一般构造要求 刚性固定露出式柱脚，一般均应设置加劲肋（加劲板），以加强柱脚的刚度；当荷载大、嵌固要求高时，尚须增设锚栓支承托座等补强措施。 圆形柱脚底板的直径和厚度应按下文要求确定；同时尚应满足构造上的要求。一般底板的厚度不应小于柱子较厚板件的厚度，且不宜小于30mm。 通常情况下，圆形底板的长度和宽度先根据柱子的截面尺寸和锚栓设置的构造要求确定；当荷载大，为减小底板下基础的分布反力和底板的厚度，多采用补强做法，如增设加劲肋（加劲板）和锚栓支承托座等补强措施，以扩展底板的直径。此时底板的尺寸扩展的外伸尺寸（相 对于柱子截面的边端距离），每侧不宜超过底板厚度的倍。
外露式刚接柱脚计算书 项目名称____xxx_____ 日期_____________ 设计_____________ 校对_____________ 一、柱脚示意图 二、基本参数 1．依据规 《钢结构设计规》(GB 50017-2003) 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102:2002) 2．柱截面参数 柱截面高度h b =500mm 柱翼缘宽度b f =500mm 柱翼缘厚度t f =14mm 柱腹板厚度t w =14mm 3．荷载值 柱底弯矩M=350m kN 柱底轴力N=500kN 柱底剪力V=50kN 4．材料信息 混凝土C25 柱脚钢材Q235-B 锚栓Q235 5．柱脚几何特性 底板尺寸a＝75mm c＝100mm b t＝85mm l t＝75mm
柱脚底板长度 L =800mm 柱脚底板宽度 B =800mm 柱脚底板厚度 t =30mm 锚栓直径 d =39mm 柱腹板与底板的焊脚高度 h f1 =10mm 加劲肋高度 h s =210mm 加劲肋厚度 t s =10mm 加劲肋与柱腹板和底板的焊脚高度 h f2 =10mm 三、计算过程 1. 基础混凝土承压计算 （1） 底板受力偏心类型的判别 3 6t l L +=800/6+75/3=158.333mm 偏心距 N M e ==350×1000/500=700mm 根据偏心距e 判别式得到： abs(e)>(L/6+lt/3) 底板计算应对压区和拉区分别计算 （2） 基础混凝土最大压应力和锚栓拉力 a. 6/0L e ≤< 锚栓拉力 0a =T )/61(max L e LB N +=σ b.)3/6/(6/t l L e L +≤< 锚栓拉力 0a =T ) 2/(32max e L B N -=σ c. )3/6/(t l L e +> 若d <60mm 则： 2max 6L B M L B N ??+?=σ 2 min 6L B M L B N ??-?=σ 柱脚底板的受压区长度 x n ＝m in m ax m ax σσσ-?L 若mm 60≥d 则： 解下列方程式得到柱脚底板的受压区长度x n ： 0))(2/(6)2/(3n t t a e 2n 3n =---+--+x l L l L e B nA x L e x 其中，A e a 为受拉区锚栓的有效面积之和，n =E s /E c 。 ) 3/()2/(2n t n t max x l L x B l L e N --?-+?=σ
型钢埋入式柱脚设计注意事项 能抵抗弯矩作用的柱脚称为刚接柱脚，相反不能抵抗弯矩作用的柱脚称为铰接柱脚。刚接与铰接的区别在于是否能传递弯矩，如果锚栓在翼缘的外侧，就是刚接，而且一般不少于4个，如果在翼缘内侧，就是铰接，一般为2个或4个。这2种柱脚很明显的区别就是对侧移控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚。 设计注意事项 1、刚性固定埋入式柱脚是直接将钢柱埋入钢筋混凝土基础或基础梁的柱脚。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，然后浇筑基础或基础梁的混凝土；另一种是预先按要求浇筑基础或基础梁的混凝土，在浇筑混凝土时，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。通常情况下，前一种方法对提高和确保钢柱脚和钢筋混凝土基础或基础梁的组合效应或整体刚度有利，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，而且有时对中柱、边柱和角柱，其埋入深度也不相同，这就需要选择易于进行钢筋混凝土补强的埋入深度来处理。 3、为防止钢柱的局部压屈和局部变形，在钢柱向钢筋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处设置水平加劲肋的环形横隔板外，在箱内和管内浇筑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钢筋混凝土保护层厚度及其配筋是很重要的。 5、在中柱、边柱和角柱中，其钢筋混凝土保护层厚度有时不一致，特别在边柱和角柱的柱脚中，对没有设置基础梁的一侧，钢柱翼缘面处的钢筋混凝土保护层厚度：中柱不小于180mm；边柱、角柱的外侧不小于250mm。 6、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，应在钢柱周边增设补强垂直纵向主筋、架立筋、箍筋、顶部
表1Q235 钢锚栓选用表 锚栓直径 d (mm) 锚栓截面 有效面积 A0 (cm) 连接尺寸锚固长度及细部尺寸每个螺栓 的受拉承 载力设计 值 t a N (KN) Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型 单螺母双螺母锚固长度 l (mm)锚板尺寸 a (mm) b (mm) a (mm) b (mm) 当基础混凝土的强度等级为 C (mm) t (mm) C15 C20 C15 C20 C15 C20 20 22 24 27 30 33 36 39 42 45 2.448 3.034 3.525 4.594 5.606 6.936 8.167 9.758 11.21 13.06 45 45 50 50 55 55 60 65 70 75 75 75 80 80 85 90 95 100 105 110 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 90 95 100 105 110 120 125 130 135 140 500 550 600 675 750 825 900 1000 400 440 480 540 600 660 720 780 1050 1125 840 900 630 675 505 540 140 140 20 20 34.3 42.5 49.4 64.3 78.5 97.1 114.3 136.6 156.9 182.8
表2Q235 钢锚栓选用表 锚栓直径 d (mm) 锚栓截面 有效面积 A0 (cm) 连接尺寸锚固长度及细部尺寸每个螺栓 的受拉承 载力设计 值 t a N (KN) Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型 单螺母双螺母锚固长度 l (mm)锚板尺寸 a (mm) b (mm) a (mm) b (mm) 当基础混凝土的强度等级为 C (mm) t (mm) C15 C20 C15 C20 C15 C20 48 52 56 60 64 68 72 76 80 14.73 17.58 20.30 23.62 26.76 30.55 34.60 38.89 43.44 80 85 90 95 100 105 110 115 120 120 125 130 135 145 150 155 160 165 110 120 130 140 150 160 170 180 190 150 160 170 180 195 205 215 225 235 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 960 1040 1120 1200 1280 1360 1440 1520 1600 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200 575 625 670 720 770 815 865 910 960 200 200 200 240 240 280 280 320 350 20 20 20 25 25 30 30 30 40 206.2 246.1 284.2 330.7 374.6 427.7 484.4 544.5 608.2
浅谈埋入式钢柱脚设计 摘要：近年来，钢结构在建筑设计中的应用越来越广泛，其诸多优点也得到很好体现。本文就钢结构柱脚设计，以现有施工技术为基础，提出了一种新型的埋入式双底板柱脚节点设计方案，以前参考交流。 关键词：设计；局限性；基础冲切；计算 Abstract: In recent years, the steel structure in building design more and more widely, its advantages are well reflected. In this paper, the design of steel structure column, with the existing construction technology as the foundation, puts forward a new embedded double bottom column node design, previously. Key Words: design; limitations; punching calculation basis; 1、钢柱脚的设计及其局限性 目前钢结构柱脚设计通常采用埋入式柱脚和外包式柱脚两种形式。埋入式柱脚是将钢柱埋入钢筋混凝土独立基础或基础梁或筏片式基础中的（见图1）；外包式柱脚是将钢柱用钢筋混凝土外包构成的柱脚（见图2），钢柱的轴力和弯矩通过焊接于钢柱的栓钉传递给混凝土，外包混凝土的高度与埋入式柱脚的埋入深度要求相同。 图1埋入式柱脚 在建筑结构中,柱脚的作用是固定柱身并将柱中的内力传递给基础。由于埋置深度的特殊要求，一般高层建筑都设有多层地下室。这种多层地下室柱脚基本上弯矩、剪力较小，主要以轴力为主。如果采用常规的埋入式柱脚形式，柱脚埋入深度需要是柱子截面高度的3倍。以柱子截面1 m×1 m箱型截面为例，柱脚埋入基础深度就要3 m，而且这种截面的柱子荷载一般较大，若再考虑柱子的冲切问题，就会出现柱脚部分基础厚度很大，达到5 m以上，使设计不尽合理。而若采用外包式柱脚的形式，由于钢柱每侧混凝土外包部分的厚度不得小于200 mm，这样1 m×1 m的柱子在最底下一层的截面就变成1.4 m×1.4 m，势必影响建筑使用功能。针对这种情况，在实际工程中设计了一种新的柱脚形式，这里称为
埋入式钢柱脚的传力分析和设计计算 金 波 (杭州广播电视大学 杭州 310012) 童根树 (浙江大学建筑工程学院 杭州 310027) 摘 要:对埋入式钢柱脚的设计方法进行了研究,分析了其传力的机理。指出因为栓钉的存在,钢柱必然传递一部分轴力给外包混凝土柱,利用组合柱理论对外包混凝土的压力进行了计算,得到了简单的公式,通过算例发现,传递到外包混凝土的轴力是总轴力的25%~35%。根据这个传递比例,提出栓钉验算和柱脚底板计算的方法。同时,根据混凝土埋入式钢柱脚的弯矩和剪力的传递,介绍了混凝土埋入式钢柱脚抗弯强度的计算公式,对于边柱和角柱,提出了沿整个埋入深度设置水平U 形钢筋的要求和计算方法。对于竖向抗冲切不足的问题,介绍了设置水平短钢梁将竖向力扩散到更大范围的方法。 关键词:埋入式钢柱脚 荷载传递 抗剪强度 组合柱 A STU DY ON DESIGN METHOD OF BURIED STEEL COLUMN BASES Jin Bo (Hangzhou Radio and TV University Hangzhou 310012) Tong Genshu (School of Archi tecture &Engineering,Zhejian g Universi ty Hangzhou 310027) Abstract :A theoretical s tudy is carried out on the current design approach of embedded steel colu mn bases.The load transfer within embedded bases is analyzed.Because of the studs,part of the axial load is transferred from steel to foundation concrete.An analytical solution is presented for the ax ial load in the concrete.Through calculated examples it is found that the axial force i n the concrete is 25%~35%of the total axial force of the column.Based on this finding,the design methods of shear stud and the column base plate are proposed.Based on the shear and bending moment transfer of the embedded s teel column bases,the strength check is proposed,and for side columns and corner columns,horizontal U rebars are proposed to preven t horizontal punch shear failure of concrete,method for determining the area of the U rebars is presented.Embedded steel column bases have inadequate vertical punch shear strength below.It is presented a method for avoiding this punch shear failure by adding horizontal short steel beams at the base.Keywords :embedded steel column base load transfer shear strength composi te column 第一作者:金 波 男 1972年10月出生 硕士 讲师 全国注册监理工程师 E-mail:jb@https://www.doczj.com/doc/712229519.html, 收稿日期:2007-12-20 1 概 述 埋入式钢柱脚即将钢柱埋入钢筋混凝土基础中,基础可以是基础梁、独立基础和片筏基础,其构造如图1所示,柱脚传递轴力、剪力和弯矩。 埋入式柱脚的埋入深度一般是2倍的柱高(工字形截面柱)到2 5倍的柱高(箱形截面柱子和圆形、方矩形钢管混凝土柱子)。钢柱到外侧混凝土边的最小距离,按照 高层民用建筑钢结构设计规程 (JGJ 99-98)至少要求250mm 。这些要求一般均容易满足。 埋入钢柱打断了混凝土基础梁的上皮钢筋,虽然此处钢筋一般受压,但是仍然要采取措施使得至少50%及以上的钢筋连续。当柱子截面小时,钢筋可以绕过柱子,但是如果柱子截面大,则应该在对应部位的钢柱上焊接水平板,钢筋焊接在水平板上,使得钢筋内的传力连续,如图2所示。 外包式柱脚传力分析如下: 1)轴力的传递。由于布置了栓钉,在向下的钢柱轴力作 用下,必然会有一部分轴力传递到混凝土上,因此钢柱轴力向下逐渐变小,而混凝土内轴力逐渐变大,见图1。 传递到混凝土内的轴力的上限按照钢截面和外包混凝土截面的轴压刚度进行分配。由于钢柱埋入混凝土的深度较小,而栓钉是一种柔性抗剪连接件,在钢-混凝土的界面上,钢与混凝土将产生相对的滑移,通过栓钉传递到周围混凝土的压力将比按照刚度分配的更小,一般为20%~35%,但也受到钢截面的轴压承载力和混凝土截面的轴压承载力之比的限制。其余的轴力要传递到钢柱底部的混凝土,下部混凝土要进行抗冲切的验算。钢柱脚底部的钢筋混凝土,要与钢柱侧面的受剪栓钉破坏时的变形协调,栓钉才能够与底 98 Industrial Construction Vol 38,No 7,2008 工业建筑 2008年第38卷第7期
第八章基础设计 房屋建筑设计总体上分为上部结构设计和下部结构设计两大部分，轻型钢结构建筑也不例外，前面几章已介绍了其上部结构，本章对其下部结构——基础作一些讨论。 众所周知，在房屋建筑中，基础造价约占整个建筑物的30%左右，对于轻钢结构而言，最大优点就是重量轻，从而直接影响基础设计，与其它结构型式的基础相比，轻钢结构基础尺寸小，可以减少整个建筑物造价，另外对于地质条件较差地区，可优先考虑采用轻钢结构，这样容易满足地基承载力方面的要求。那么轻钢结构基础与砼结构基础有什么不同？轻钢结构基础是如何设计的？在轻钢结构基础设计时应注意哪些方面？本章针对这些问题进行探讨，而不涉及基础本身设计的有关内容。 第一节基础设计的特点 由于结构型式、荷载取值、支座条件等方面的不同，传至基础顶面内力是不同的，轻钢结构与传统的砼结构相比，最大差别就是在柱脚处存在较小的竖向力和较大的水平力，对于
砼结构柱脚均为刚接，即同时存在轴向力N、水平剪力V和弯矩M，故基础尺寸较大，轻钢结构常见的柱脚型式有刚接和铰接两种（图8-1），其受力是不同的，对于铰接柱脚，只存在轴向力N和水平力V，对于刚接柱脚，除存在轴向力N和水平力V之外，还存在一定的弯矩M，从而使刚接柱脚的基础大于铰接柱脚。 ⒊基础破坏形式 要正确进行基础设计，首先要知道基础破坏形式，对其工作原理有所了解。 对于砼结构，通常柱网尺寸较小，故柱底水平力相对较小，基础一般不会产生滑移现象，又由于上部结构自重很大，足以抵抗风荷载作用下产生的上拔力，故基础也不会产生上拔的可能，对于这种结构，基础主要发生冲切、剪切破坏；而轻钢结构则不同，基础除发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏，另外，在风荷载较大的情况下，特别对于一些敞开或半敞开的结构，由于轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，导致基础上拔破坏。为防止这些破坏的发生，最经济有效的方法是增加基础埋深，即增加基础上覆土的厚度，但增加了土方开挖和回填工程量。另外对于轻钢结构基础，还须预埋锚栓（也称地脚螺栓），用于上部结构和基础的连接，若锚栓离砼基础边缘太近，会产生基础劈裂破坏，所以我国钢结构设计规范规定了锚栓离砼基础边缘的距离不得小于150mm；若锚栓长度过短，会使锚栓从基础中拔出，导致破坏，所以规范也规定了锚栓埋入长度。 ⒋基础设计内容 基础设计一般包括基础底面积确定、基础高度确定和配筋计算，还应符合有关构造措施。基础底面积可根据地基承载力确定，同时还应考虑软弱下卧层存在；基础高度由冲切验算确定；在基础底面积和高度确定的情况下计算基础配筋，这里须注意伸缩缝双柱基础处理，双柱为基础提供了两个支点，在地基反力作用下，有可能出现负弯矩，即基础上部受拉的情况，此时除基础底部配置钢筋外，基础上部也应配筋，避免因上部受拉而出现开裂现象。轻钢结构基础除上述内容以外，还须进行柱底板设计和锚栓设计，至于这两部分设计归于上部结构还是下部结构，也存在一些争议，柱底板尺寸是根据柱与基础连接部位砼的局部承压来确定的，与基础砼参数有关，但其制作又与上部结构连在一起，按照常规柱底板设计归入上部结构；锚栓在上部结构和基础之间起桥梁作用，但基础施工时应将锚栓埋入，故属于基础部分。本章避开这个问题，就锚栓和底板设计分别进行讨论。 ⒌与上部结构连接 基础与上部结构是二次施工完成的，其间存在连接问题。对于砼结构的基础，通过预留插筋的方式连接上部结构（图8-2a）,而对于轻钢结构基础，则通过预埋锚栓的方式进行连接（图8-2b）。
钢结构轴心受压柱柱脚的计算与设计 轴心受压柱轴心压力设计值1450N kN =，柱脚钢材选用Q345B ，柱子采用热轧H 型钢，截面为HW200×204×12×12，基础混凝土采用 C20，29.6/c f N mm =。试设计该柱的柱脚。 解： 选用带靴梁的柱脚，如图： 1、底板尺寸 锚栓采用d=20mm ，锚栓孔A 0约为5000mm 2，靴梁厚度取t=10mm ，悬臂c=3d=60mm ，则需要的底板面积为： 32 02 52 14501050009.6/1.5610c N N A B L A mm f N mm mm ?=?=+=+=?1222002(1060)B a t c mm mm mm =++=++ 340mm = 5 1.5610459340 A L mm B ?===，取为500mm 。 采用B×L=340mm×500mm 。 底板承受的均匀压应力： 3202 1450103405005000=8.79N N q B L A mm mm mm N mm ?== ?-?- 四边支撑板（区格 ）的弯矩为：
200 1.176170b mm a mm == 查表插值得0.061α=， 22220.0618.79/17015496/M q a N mm mm N mm mm α=??=??=? 三边支撑板（区格②）的弯矩为： 11800.4200b mm a mm ==，查表得0.042β=， 222210.0428.79/20014767/M q a N mm mm N mm mm β=??=??=? 悬臂板（区格③）的弯矩为： 222211 8.79/6015822/22 M q c N mm mm N mm mm = ?=??=? 各区格板的弯矩值相差不大，最大弯矩为： max 15822/M N mm mm =? 底板厚度为： 17.9t mm ≥ == 取底板厚度为18mm 。 2、靴梁与柱身间竖向焊缝计算 连接焊缝取mm h f 10=，则焊缝长度w L 为： 32 14501025960=60040.740.710200/w f w f f N N L mm h mm h f mm N mm ?===
钢结构柱脚螺栓预埋安装施工工艺 允智 近年来，随着经济社会不断深入发展，工业厂房越来越多的采用钢结构建筑。在钢结构建筑中，主体结构与基础连接方式主要有：预埋螺栓连接和插入式杯口连接，在一般钢结构中常用连接方式主要采用预埋螺栓连接。预埋螺栓的质量关系到整体钢结构安装质量。如果预埋螺栓变差过大，严重会造成爆破基础重做的后果。为此，我公司一些项目经过摸索，总结出一套安装钢结构柱脚螺栓施工工艺，经过几个项目实施，很大程度的提高了工程施工质量和施工效率，达到较好应用效果。 1、特点： 该工艺施工的关键在于控制每一个基础预埋螺栓顶标高及螺栓与轴线相对位置，这对螺栓预埋安装要求比较严格。 2、适用围： 本工艺适用于钢结构建筑柱脚螺栓预埋安装，类似的一些设备基础螺栓预埋安装。 3、工艺原理： 固定及支撑每一个基础柱脚螺栓组的铁板和支撑的钢筋要具有一定的钢度和强度。可保证在安装时，受到施工荷载时不变形，支撑用的钢筋在受浇筑砼和振动器振捣时不变形，确保基础的每一根螺栓与轴线的相对位置及标高不变。
4、施工准备： （1）当基础开始施工，预埋螺栓即可进场，在进场前对预埋螺 栓的原材料质量及外观进行检查验收。 （2）准备≥Φ16钢筋及Φ3.2E40**型焊条，以备螺栓组装及安 装焊接使用。≥Φ16可用具有适合长度的废钢筋头。 （3）测量工具：2S级以上光学经纬仪两台，水准仪一台，5m 钢卷尺，水平尺一把，线锤一个。 （4）每种规格柱脚螺栓需要制一套模具，一套模具由三块≥ 5mm厚的铁板（称为母板），每块母板要在机床切割加工，螺栓孔要 机床数控钻孔，孔径要比螺栓孔大0.5～1mm为准，孔边距离母板外 边缘≥50mm，母板上用数控机械刻画出螺栓孔中心线和轴线，要求 刻画线的深度、宽度为0.3mm。 （5）准备一台交流或直流电焊机。 （6）根据柱脚螺栓高度，用工地≥Φ18废钢筋头焊制两个简易 马凳。 （7）每个柱脚螺栓组的每根螺栓准备两个螺母，安装完毕拆走。 （8）熟悉图纸，应仔细地阅读施工图纸中预埋螺栓平面布置图 和基础详图，掌握每一个柱的预埋螺栓布置、规格及相应各尺寸关系，设计出每个基础螺栓组母板模具加工图纸。 （9）在浇筑基础垫层砼时，根据柱脚螺栓的位置、高度，呈45°放射状的位置预埋≥Φ16钢筋头，露出砼面80～150mm左右，以作焊固螺栓用。
“箱形柱外露刚接”节点计算书 ==================================================================== 计算软件：TSZ结构设计系列软件 TS_MTSTool v4.6.0.0 计算时间：2017年04月24日 14:19:26 ==================================================================== 一. 节点基本资料 设计依据：《钢结构连接节点设计手册》（第二版） 节点类型为：箱形柱外露刚接 柱截面：BOX-200*10，材料：Q235 柱与底板全截面采用对接焊缝，焊缝等级为：二级，采用引弧板； 底板尺寸：L*B= 540 mm×540 mm，厚：T= 30 mm 锚栓信息：个数：6 采用锚栓：双螺母焊板锚栓库_Q235-M27 方形锚栓垫板尺寸(mm)：B*T=70×20 底板下混凝土采用C30 节点前视图如下： 节点下视图如下：
二. 荷载信息 设计内力：组合工况内力设计值 组合工况1 315.0 5.0 -5.0 8.0 10.0 否组合 工况2 46.0 0.0 -8.0 12.0 76.0 否组合工况3 160.0 -3.0 -15.0 30.0 -5.0 否 三. 验算结果一览 最大压应力(MPa) 6.52 最大14.3 满 足受拉承载力(kN) 52.9 最大64.3 满足底板厚度(mm) 30.0 最小29.9 满足等强全截面 1 满足板件宽厚比 12.8 最大14.9 满足板件剪应力(MPa) 14.9 最大180 满足焊缝剪应力(MPa) 16.1 最大200 满足焊脚高度(mm) 10.0 最小8.22 满足焊脚高度(mm) 10.0 最大16.8 满足板件宽厚比 12.8 最大14.9 满足板件剪应力(MPa) 24.3 最大180 满足焊缝剪应力(MPa) 26.5 最大200 满足焊脚高度(mm) 10.0 最小8.22 满足焊脚高度(mm) 10.0 最大16.8 满足基底最大剪力(kN) -126 最大0 满足绕x轴抗弯承载力(kN*m) 155 最小140