下载文档原格式
柱脚--钢结构讲解
柱脚是指钢结构中柱子与地基之间的连接部分，通常是通过焊接或
螺栓连接来实现的。
柱脚的设计与施工非常重要，因为它承载着柱子的重量以及可能的
水平力和摆动力。
适当的柱脚设计可以保证柱子在地震或其他外力
作用下的稳定性和安全性。
在钢结构中，柱脚通常采用焊接连接。
焊接连接的优点是强度高、
刚性好，但要求焊缝质量高，需要经过严格的检验和检测。
柱脚的
焊接连接通常采用角焊缝或对焊缝。
柱脚的连接也可以采用螺栓连接。
螺栓连接的优点是方便拆卸和更换，适用于需要经常修改或维护的结构。
螺栓连接需要使用高强度
螺栓和螺母，并通过预紧力来保证连接的稳固性。
在柱脚设计中，还需要考虑地震力和风力对柱子的影响。
一般来说，柱脚需要加强，以增加整个结构的稳定性和抗震能力。
这可以通过
增加连接件的数量或使用更坚固的材料来实现。
总而言之，柱脚在钢结构中非常重要，它承载着柱子的重量和外力，并通过焊接或螺栓连接来确保结构的稳定性和安全性。
柱脚的设计
需要考虑各种力的作用，以确保结构的抗震能力和稳定性。
全面认识钢结构柱脚!（二）钢结构柱脚是钢结构中的重要组成部分，它承担着传递柱子荷载至地基的任务。
本文将从五个大点出发，深入探讨全面认识钢结构柱脚的相关内容。
引言概述：钢结构柱脚作为连接柱子和地基的关键节点，其设计和施工对于整个钢结构的安全性和稳定性至关重要。
在本文中，我们将首先介绍钢结构柱脚的定义和作用，然后重点探讨钢结构柱脚的设计原则、常见病害及其防治措施、施工质量控制和强度验算标准等方面内容。
正文内容：一、钢结构柱脚的定义和作用1. 钢结构柱脚的定义2. 钢结构柱脚的作用二、钢结构柱脚的设计原则1. 荷载计算与传递原则2. 材料选取与使用原则3. 结构形式与连接方式的选择原则4. 震动与变形控制原则5. 安全性与可靠性原则三、钢结构柱脚的常见病害及其防治措施1. 磨损与腐蚀2. 裂缝与变形3. 疲劳和断裂4. 锈蚀和腐蚀5. 震动和地震影响6. 高温和火灾风险7. 防护措施与维护保养四、钢结构柱脚的施工质量控制1. 材料质量控制2. 制作工艺控制3. 连接方式控制4. 安装质量控制5. 预防措施和监测控制五、钢结构柱脚的强度验算标准1. 国内钢结构柱脚强度验算标准2. 国际钢结构柱脚强度验算标准3. 考虑设计震动荷载的强度验算总结：全面认识钢结构柱脚对于钢结构设计、施工和维护至关重要。
在本文中，我们从定义和作用、设计原则、常见病害及其防治措施、施工质量控制和强度验算标准五个大点出发，深入剖析了钢结构柱脚的相关内容。
希望这些信息能对相关专业人员和从业者有所启发，并能够提高钢结构柱脚的设计和施工质量。
钢结构柱脚论文抗震设计论文摘要:埋入式柱脚和外包式柱脚的混凝土保护层厚度均不小于180mm,钢柱埋人部分和外包部分均宜在柱翼缘上设置圆头焊钉，其直径不得小于16mm,其水平向和竖向的中心距离不得大于200mm。
1.通常钢结构的柱脚形式有外包式柱脚，埋入式柱脚及外露式柱脚3种外包式柱脚指将钢柱脚外面用钢筋混凝土包住的柱脚，埋入式柱脚是把钢柱固定在混凝土的基础梁上柱脚，而外露式柱脚是在混凝土基础表面固定钢柱的柱脚，其也是最常用的钢结构柱脚。
钢结构柱脚，反力特别大，因此设计规划时一般采用固定柱脚。
在此类情况下，采用外露式柱脚不仅会导致底板既大乂厚，消耗大量钢材，更重要的是难以确保柱脚被完全固定。
外包式柱脚和埋入式柱脚钢结构固定式柱脚的很好的选择，通常抗震设讣也用这两类柱脚。
2.埋入式柱脚抗震设讣埋入式柱脚的特点，是将钢柱以一定深度埋置在混凝土基础梁中，埋人部分的钢柱表面虽然焊有栓钉，但根据研究，在这种形式的柱脚中栓钉的作用不大，内力的传递主要依靠混凝土对钢柱翼缘的承压力，柱的轴向压力可山柱脚底板传给混凝土，柱的轴向拉力可III柱脚底板伸出部分对混凝土的承压作用传给混凝土，或山锚栓传给基础。
埋入式柱脚的支配因素是埋入深度。
试验表明，对于轻型工字形柱，埋深与柱截面高度之比不得小于2,对于大截面的宽翼缘H形柱和箱形柱，埋深与截面高度之比不得小3,且同时应满足下式要求：d>=(6M/bf*fc)0. 5d-柱脚埋深;M-柱脚全截面屈服时的极限弯矩;bf -柱在受弯方向截面翼缘的宽度;fc-基础混凝土轴心受压强度设计值。
2.1柱脚轴向压力山柱脚底板直接传给基础，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010验算柱脚底板下混凝土的局部承压，承压面积为底板面积。
2. 2埋入式柱脚应验算在轴力和弯矩作用下基础混凝土的侧向抗弯极限承载力，埋入式柱脚的极限受弯承载力不应小于钢柱全塑性抗弯承载力;与极限受弯承载力对应的剪力不应大于钢柱的全塑性抗剪承载力。
钢结构柱脚随着我国经济建设的快速发展，钢结构在工业及民用建筑房屋中的应用日益广泛。
特别是近年来，随着国家的大力提倡，我国钢结构工程建设得到了空前规模的发展。
柱脚是钢结构的一个重要组成部分，具有固定位置和传力两大作用，对整个结构的安全有重大影响。
然而柱脚设计关键点往往被忽略，计算内容较多、公式复杂、钢结构工程形式多样，柱脚形式多样。
中国著名钢结构建筑本文主要从新建建筑钢柱脚形式的选用、现行新规范对柱脚的相关规定、构造及各种加层钢结构的柱脚节点做法等方面，阐述并整理柱脚设计的相关内容，为设计人员提供一定参考。
1柱脚形式选用现行规范对柱脚形式选用的规定不同类型钢结构工程柱脚查询表对于高层钢结构工程而言，地下室框架柱一般均采用组合结构，如果按照《组合规》第6.5条规定，基础底板厚度较大，柱脚设计和构造偏于严格，造成基础设计的极大浪费和不合理。
结合柱脚受力机理，可主要参考《高钢规》的规定。
对于一些执行规范较严格的地区，设计人员对柱脚的设计也可采用性能化的设计方式，即采用大震下地震组合内力对柱脚进行设计，大震下地震力组合值系数可取1.0，材料的强度采用标准值。
综合以上各规范对钢结构柱脚设计的规定，对于不同类型钢结构工程可选用的柱脚见下表。
新钢标对于柱脚的新规定1. 新钢标明确规定，插入式柱脚可用于多层钢结构框架柱，正式认可了插入式柱脚在民用建筑中的应用。
插入式柱脚之前主要出现在工业建筑的相关内容。
2. 关于抗震性能化设计中对于柱脚的另外一些相关规定，详《钢结构设计标准》(GB50017-2017)第17.2.12条。
3. 新钢标关于外包式柱脚参考了日本的相关规定，受力模式跟之前规范有更新，钢柱弯矩在外包柱脚顶部钢筋位置处最大，底板处约为零，弯矩通过钢柱和混凝土之间的压力传递。
以往受力模式假定是，轴力由钢柱底板传递，弯矩通过栓钉传递给混凝土短柱，受力模式的变化导致对栓钉的设计要求有所不同。
新钢标条文中不再写栓钉的要求，只是在图中表示栓钉为可选项，与高钢规表示“外包部分的钢柱翼缘表面宜设置栓钉”相吻合，即栓钉为构造措施。
钢结构厂房柱脚设计要点钢结构厂房柱脚设计要点钢结构厂房柱脚应能可靠传递柱身承载力，宜采用埋入式、插入式或外包式柱脚，6、7度时也可采用外露式柱脚。
震害表明，外露式柱脚破坏的特征是锚栓剪断、拉断或拔出，由于柱脚锚栓破坏，使钢结构倾斜，严重者导致厂房坍塌。
外包式柱脚表现为顶部箍筋不足的破坏。
厂房钢柱可划分为两类，其一是单肢柱，即通常所称的实腹柱（包括钢管、轧制或焊接H型钢）；其二则是格构柱。
两类钢柱的受力状态不同，其柱脚设计也应区别对待。
一、实腹柱（单肢柱）实腹柱刚接柱脚，承受弯矩、剪力和轴力的共同作用。
一般情况下，首先应考虑柱脚的承载力不小于柱截面塑性屈服承载力的1.2倍。
即满足下式要求：M u≥1.2M pc，N式中：M u—刚接柱脚的极限受弯承载力；M pc，N—柱截面全塑性受弯承载力，需计入多遇地震组合轴力的影响。
1、埋入式、插入式柱脚：（1）埋入式、插入式柱脚进入砼基础的深度，应符合下式要求。
式中：d—柱脚埋入深度；b f—翼缘宽度；f c—基础砼抗压强度设计值。
并且，埋入式柱脚埋入砼的深度不宜小于2.0倍的柱截面高度；插入式柱脚不宜小于2.5倍的柱截面高度。
（2）埋入式柱脚埋入段柱受拉翼缘外侧所需焊钉数量，可按下式计算：n≥?（NA f/A+M/h co）/V s式中：n—柱受拉翼缘外侧所需焊钉数量；M、N—分别为多遇地震组合的柱脚弯矩设计值、轴力设计值；A、A f—分别为柱截面的面积、柱翼缘的截面面积；h co—柱翼缘截面的中心距；V s—一个圆柱头焊钉连接件的受剪承载力设计值，可按现行《钢结构设计规范》GB50017的规定计算。
（3）插入式柱脚插入段的剪力传递（轴力）需满足下式：N≤0.75f t sd式中：f t—基础砼抗拉强度设计值；S—插入段实腹柱截面的周长。
2、外包式柱脚：外包式柱脚属于钢和砼组合结构，内力传递复杂，影响因素多，目前还存在一些未充分明晰的内容，因此诸如各部分的形状、尺寸以及补强方法等构造要求较多。
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内力较小，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，一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。
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。
⒍有关构造措施除上述提到的几个方面之外，轻钢结构还有一些构造措施有别于其它结构的基础，比如基础顶面须设置二次浇灌层；埋入式柱脚应在钢柱埋入部分设置栓钉；埋入式柱脚钢柱翼缘保护层厚度，对于中柱不小于180mm，对于边柱和角柱的外侧不宜小于250mm，一、刚接和铰接柱脚前面已提到过，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，在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接都是不可能的，确切地说应该是一种半刚接半铰接状态，为计算方便，只能根据实际构造把柱脚看成接近刚接或铰接。
刚接或铰接柱脚关键取决于锚栓布置，铰接柱脚一般采用两个锚栓(图8-3a)，以保证其充分转动，但有时考虑锚栓质量问题，若一个锚栓质量不保证，会对整个结构受力产生较大影响，所以为安全起见，也可布置四个锚栓(图8-3b)，但锚栓尽量接近，以保证柱脚转动。
刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接(图8-3c)，图中采用六个锚栓，可以认为柱脚不能转动，前面讲的几种柱脚均为锚板式柱脚，构造简单，是工程上常用的柱脚型式，另外还有一种柱脚型式，即靴梁式柱脚(图8-3d)，这种柱脚可看成固接柱脚（属于刚接柱脚），由于柱脚有一定高度，使其刚度较好，能起到抵抗弯矩的作用，但这种柱脚制作麻烦，耗工耗材，逐渐被其它柱脚型式所代替。
下面再介绍工程上比较常用的固接柱脚（属于刚接柱脚），即包裹式柱脚(图8-4)，这种柱脚既节省钢材又构造简单，施工方便，而且安全可靠，在受力上保证柱脚基本不发生转动，与计算模型很吻合，是一种典型的固接柱脚。
采用刚接柱脚或铰接柱脚？其实这两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，例如有吊车荷载的情况，吊车荷载是动力荷载，对侧移比较敏感，而且侧移过大会造成吊车卡轨现象，此时应把柱脚设计成刚接柱脚，但在某些特殊情况下也可设计成铰接；又如有楼层的结构，侧移过大会使人感觉不安全，左右晃动，而且还会使楼面装修材料开裂等等，这样结构柱脚应按固接设计。
对工程上常见的门式刚架，柱脚通常设计成铰接；对地质情况较差地区，柱脚应考虑铰接，这样传至基础的内力仅为轴力和剪力，不存在弯矩，有利于基础设计，可以减少基础造价。
二、锚栓锚栓是将上部结构荷载传给基础，在上部结构和下部结构之间起桥梁作用。
锚栓主要有两个基本作用：⒈作为安装时临时支撑，保证钢柱定位和安装稳定性。
⒉将柱脚底板内力传给基础。
锚栓采用Q235或Q345钢制作，分为弯钩式和锚力钢筋上。
为方便柱安装和调整，柱底板上锚栓孔为(图8-6b)。
底板上须设置垫板，垫板尺寸一般为100⨯-，厚度根据计算确定，垫板上开孔较锚栓100直径大1～2mm，待安装、校正完毕后将垫板焊于底板上。
栓布置图。
在图8-7中，从安全角度考虑，中柱两个锚栓可换成四个，但间距不能太大，以保证铰接。
剪？垫板是否要与底板焊牢？在施工时锚栓是否拧紧？我国钢结构设计规范是不允许锚栓抗剪的，剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足要求则须设抗剪键（图8-9）。
上海市轻钢规程规定，采用靴梁的刚接柱脚以及考虑地震作用组合时的外露式柱脚的锚栓不得用于传递柱脚底部的水平反力，此水平反力应由底板与混凝土基础顶面间的摩擦力承受，摩擦系数可取0.4，当水平反力大于摩擦力时，应设置抗剪键，上述情况之外，外露式柱脚的锚栓可以传递柱脚底部的水平反力，但必须进行计算，并将垫板与底板焊牢。
后者应该更合理些，因为轻钢结构重量比较轻，摩擦系数为0.4时底板和混凝土之间产生的摩擦力很小，特别是在风吸力起控制作用时，底板与混凝土之间几乎不存在压应力，也即摩擦力几乎没有，如果按钢结构设计规范，在此情况下很难满足摩擦力抗剪的条件，很多结构须设抗剪键，但在实际工程中很少设抗剪键，也没有因此发生工程事故，可见锚栓参与了抗剪。
若锚栓抗剪，一方面锚栓须满足强度要求，另一方面与锚栓相邻的砼不发生局部承压破坏。
有人认为锚栓应该拧紧，这样有利于传力，这种说法是不正确的，对于目前常用的平板式柱脚，考虑锚栓传递剪力的情况，锚栓不应该拧得很紧，这样锚栓在垫板开孔中产生微小滑动，使其与垫板孔壁接触，而垫板又与底板焊牢，从而起到传递剪力的目的。
但对于固接柱脚，为保证弯矩传递须拧紧锚栓。
三、特殊情况下轻钢结构基础⒈格构式柱基础格构式柱的柱脚有整体式和分离式两种，整体式一般用于受力较小、两分肢间距较近时，但比较耗材，在大多数情况下采用分离式柱脚；分离式柱脚两肢完全分开，每个肢均为轴心受力。
由于两种柱脚构造不同，造成基础设计也不同。
对于整体式柱脚，由于柱脚底板是整块的，且设置一定数量加劲肋，使柱脚形成一个整体刚度，因而作为基础的一个支点，这样基础仅需底部配置受力筋，而上部不需配筋（图8-10a）; 对于分离式柱脚，柱肢是分开的，但其基础很难分开，因而为基础提供了两个支点，此时在基础上部出现负弯矩，也即出现受拉的情况，在基础配筋时须注意，应同时配置上、下部钢筋（图8-10b）。
轻钢房屋但基础很难施工，等等。
在进行这类工程的基础设计时，可考虑采用喜利得（HILTI）锚栓，该锚栓由瑞士喜利得公司生产，在国内工程中已得到广泛应用，这种方法不需设计基础，只要地坪具有足够的强度，就可直接在地坪中预埋HILTI锚栓。
下面提供HILTI锚栓的有关技术数据，有关锚栓固定设计方面的细节可向喜利得公司垂询。
表8-1 HILTI锚栓有关技术数据1、以上数据用于：◆混凝土强度为C25/30。
◆镀锌螺杆需符合ISO898T15.8级。
◆要达到以上剪力，基材厚度（h）不小于边距（C）的1.5倍。
2、要更大力量可增大孔深，但最大不能超过标准2倍深。
3、HVU管剂主要化学成分为：Vinylurethane树脂。
4、有关锚栓安装时边距和间距和混凝土对拉力和剪力的影响请与HILTI工程师联系。
5、M24以上的螺杆设计剪力是依据8.8级钢材。
8-2 HVU配件HAS螺杆第三节典型柱基础细部详图通过前面讨论，我们已经对轻钢结构基础有一个初步了解，现结合实际工程，给出几种典型柱基础详图，以供大家参考。
第四节 柱底板和锚栓设计[9]一、轴心受压柱脚设计 ⒈ 底板面积h cef N A B L ≥-⨯0式中：N ——柱轴心压力设计值。
h ce f ——基础所用钢筋砼局部承压强度设计值。
0A ——锚栓孔面积⒉ 底板厚度 底板压力： 0A B L Nq -⨯=对于底板弯矩，分以下情况进行设计：⑴ 四边支承板21qa M α= mmN ⋅其中：a ——短边长度b ——长边长度α——系数，由ab查表8-3求得。
表8-3 四边支承板α系数⑵ 三边支承、一边自由板或两邻边支承板212qa M β=其中：1a ——自由边长或对角线长度1b ——两相邻固定边顶点到1a 的垂直距离β——系数，由11a b 查表8-4求得。
表8-4 三边支承、一边自由或两邻边支承板β系数当3.011<a b 时，按悬臂长为1b 的悬臂板计算。
⑶ 一边支承、三边自由板2321qC M =其中：C ——悬臂长度。
最终弯矩设计值{}321max,,m ax M M M M =最佳设计方案应使321,,M M M接近相等，若相差较大，应调整区格。
若不考虑塑性发展，则：fWM≤max由于上述求出的弯矩是每延米弯矩，即：261t W =代入上式可得底板厚度：mm fM t 146max≥=我国钢结构设计规范中考虑底板塑性发展，故求底板厚度时采用下式计算：fM t max5=⒊ 锚栓设计由于该柱脚不承担弯矩，为铰接柱脚，故锚栓按构造设置。
