铰接柱脚的设计

门式刚架柱脚刚接和铰接设计研究摘要：门式刚架柱与基础有刚接和铰接两种联系形式，这两种不同形式的连接对刚架内力有较大的影响。

本文采用通用有限元软件SAP2000对刚架进行内力分析，通过弯矩图、剪力图对比，钢梁应力比进行分析，寻求优化设计。

采用刚接钢梁和钢柱的内力会偏小，但是柱脚有弯矩，基础的面积会偏大。

采用铰接柱脚没有弯矩，但是钢梁和钢柱的内力会偏大[1]。

关键词：门式刚架；刚接；铰接；内力分析1、概述轻型门式刚架是现代工业厂房常用的一种结构，具体自重轻、跨度大、空间布置灵活、施工速度快、工艺简单等诸多优点。

门式刚架是一种装配式结构，现在工厂里面将H型按照设计图纸做成指定的规格，然后运输到施工场地进行安装。

与传统的混凝土厂房相比极大地缩短了施工周期。

在设计时，可以将柱脚设计成刚接和铰接两种形式，在土质比较好，刚架的跨度不大时可以设计成铰接，反之倾向于设计成刚接。

2、结构建模计算分析工程概况：一门式刚架跨度为12m，柱间距离为4m，层高为4m。

坡度为1/3。

风荷载为3.5kN/m2，屋面恒荷载为0.3 kN/m2，屋面活荷载为0.5kN/m2。

采用sap2000进行建模分析[2]。

（1）通过进行对比可以发现，当柱脚为铰接接时梁柱节点弯矩要大些，所以梁柱截面要大些。

在梁柱节点处弯矩最大，可以柱钢梁设计成变截面的斜梁，将钢梁梁柱节点做大点，在跨中屋脊处将梁截面变小的，从而起到节约钢材，减轻结构自重的目的。

但是由于柱脚没有弯矩，基础可以做的小些。

但由于门式刚架质量比较轻所以要验算在风荷载作用下的抗倾覆验算，基础埋置要有足够的深度，否则在台风下很容易倾覆破坏。

（2）钢柱在柱脚刚接时剪力较小，钢梁在柱脚铰接时剪力较大。

但是对于H型钢来说剪力并不起控制作用，剪力是主要是由钢梁的腹板来承担的，实际受力时远远没有达到腹板的抗剪承载力设计值，所以剪力不用考虑。

（3）柱脚铰接时钢柱的应力比为0.487，钢梁应力比为0.21，而《门刚》限制0.95。

铰接柱脚设计：（考虑电葫芦集中荷载）锚栓采用Q345钢（抗弯，抗拉设计值f=295N/mm 2;抗剪设计值f v =295N/mm 2;） 假定砼基础为C20，f c =10N/mm 2.由钢架梁计算知：柱底轴力N=214.75KN,最大剪力V max =582.99 KN 1,柱脚有效A=540mmX350mm=189000 mm 2; 柱脚底板应力验算： 22/10/1159.1432324189000100075.214mm N mm N X X X X a A N <=-=-=πσ 2，按一边支承板（悬臂板）计算弯矩 mm N X X ⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=M 161182161751559.12121 脚板厚度mm mm X f M MAX 2011.183282951611866<====δ 3，取t=20mm 进行抗剪验算A:轴力磨擦抗剪MAX fb V X N V <===9.8575.2144.04.0；故需要设计抗剪键 B:抗剪键设计：施工图总剖面数: 5当前剖面归并号: 4柱号: 1柱脚形式: 2 ( 铰接)计算柱脚底板的设计内力: M= 0.000 kN.m, N= 214.308 kN基础混凝土等级: 20基础混凝土强度: 9.600基础混凝土最大压应力: 1.529满足: 柱脚混凝土抗压满足!计算柱脚锚栓的设计内力: M=0.000 kN.m, N=0.000 kN锚栓抗拉强度: 直径=M24, Ftb= 180.000 N/mm , Ntb= 63.450 kN 锚栓拉应力 : Max Ft=0.000 N/mm ; 锚栓拉力: Max Nt= 0.000 kN 满足: 柱脚锚栓抗拉满足!柱脚需要设计抗剪键:抗剪键设计剪力: V =493.815 kN (组合号= 11 )抗剪键截面: [32c抗剪键长度: 300.0 mm侧面混凝土压应力: 9.6抗剪键根部设计弯矩: M =74.072 kN.m抗剪键强度设计值: f =310.000 N/mm , fv=180.000 N/mm抗剪键根部应力: sgm = 137.762 N/mm ,tao= 156.944 N/mm 与底板连接角焊缝尺寸: 8 mm角焊缝强度: Ffw = 200.000 N/mm角焊缝应力: Ff = 115.900 N/mm, Fv = 150.995 N/mm抗剪键放置: 腹板与剪力方向平行施工图总剖面数: 5当前剖面归并号: 4柱号: 2柱脚形式: 2 ( 铰接)计算柱脚底板的设计内力: M= 0.000 kN.m, N=190.853 kN基础混凝土等级: 20基础混凝土强度: 9.600基础混凝土最大压应力: 1.362满足: 柱脚混凝土抗压满足!计算柱脚锚栓的设计内力: M= 0.000 kN.m, N= 0.000 kN柱脚锚栓抗拉强度: 直径=M24, Ftb= 180.000 N/mm, Ntb= 63.450 kN 锚栓拉应力: Max Ft= 0.000 N/mm; 锚栓拉力: Max Nt= 0.000 kN满足: 柱脚锚栓抗拉满足!柱脚需要设计抗剪键:抗剪键设计剪力: V = 503.197 kN (组合号= 5 )抗剪键截面: [32c抗剪键长度: 310.0 mm侧面混凝土压应力: 9.4抗剪键根部设计弯矩: M =77.996 kN.m抗剪键强度设计值: f = 310.000 N/mm, fv= 180.000 N/mm抗剪键根部应力: sgm = 145.059 N/mm,tao= 159.926 N/mm与底板连接角焊缝尺寸: 8 mm角焊缝强度: Ffw = 200.000 N/mm角焊缝应力: Ff = 122.039 N/mm, Fv = 153.864 N/mm抗剪键放置: 腹板与剪力方向平行C. A,B项计算已经满足抗剪要求! 故锚栓抗剪只作为抗剪能量储备。

《钢结构设计标准》解说专题（8）——柱脚设计来源：从钢结构到装配式钢结构建筑柱脚是钢结构节点中极其重要的一部分，在《钢结构设计标准》（GB 50017-2017，简称“钢标”）中，随节点单独成第12章，柱脚设计的规定独立为12.7一节。

本文专门谈谈钢标柱脚设计的规定，主要围绕两点作一些解释：1）新增内容；2）改动较大的内容。

一、关于柱脚的总体规定关于柱脚设计，原钢规的规定很少几条，还是放在构件的构造要求一节中。

原来做设计，只能看一些散落在各个规范和手册中的内容，如《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）（简称“高钢规”）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（简称“抗规”）、《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）（简称“构抗规”）、《钢结构节点设计手册》（第三版，建筑工业出版社，简称“节点手册”，内容尚未按钢标升版）、《钢结构设计手册》（建筑工业出版社，简称“钢构手册”，第四版中已根据钢标规定更新）。

但你会发现，规定还不统一。

钢标这次的柱脚设计规定，等于做了一次系统梳理。

钢标关于柱脚的规定，总体上并列地给出了四种形式：外露式、外包式、埋入式、插入式柱脚。

其余三种柱脚没啥好说，而插入式柱脚的内容，以前主要出现在工业建筑的相关规范中。

钢标明确规定，插入式柱脚可用于多层钢结构框架柱，等于正式认可了插入式柱脚在民用建筑中的应用。

虽然钢标12.7.1的条文说明表示适用范围与高钢规协调了，实际上关于插入式柱脚在民用建筑中作为并列的柱脚形式还是第一次隆重登场。

【条文】12.7.1 多高层结构框架柱的柱脚可采用埋入式柱脚、插入式柱脚及外包式柱脚，多层结构框架柱尚可采用外露式柱脚，单层厂房刚接柱脚可采用插入式柱脚、外露式柱脚，铰接柱脚宜采用外露式柱脚。

【条文说明】12.7.1 刚接柱脚按柱脚位置分为外露式、外包式、埋入式和插入式四种。

四种柱脚的适用范围主要与现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99的有关规定相协调，同时参考了国内相关试验研究以及多年来的工程实践总结。

轴心受压柱柱脚设计一、基本设计原理柱脚的构造应使柱身的内力可靠地传给基础，并和基础有牢固的连接。

轴心受压柱的柱脚主要传递轴心压力，与基础的连接一般采用铰接（图1）。

图1 平板式铰接柱脚图1是几种常用的平板式铰接柱脚。

由于基础混凝土强度远比钢材低，所以必须把柱的底部放大，以增加其与基础顶部的接触面积。

图1(a)是一种最简单的柱脚构造形式，在柱子下端仅焊一块底板，柱中压力由焊缝传递至底板，在传给基础。

这种柱脚只能用于小型柱，如果用于大型柱，底板会太厚。

一般的铰接柱脚常采用图1(b)、(c)、(d)的形式，在柱端部与底板之间增设一些中间传力零件，如靴梁、隔板和肋板等，以增加柱子与底板之间的连接焊缝长度，并且将底板分隔成几个区格，使底板的弯矩减小，厚度减薄。

图1(b)中，靴梁焊于柱的两侧，在靴梁之间用隔板加强，以减小底板的弯矩，并提高靴梁的稳定性。

图1(c)是格构柱的柱脚构造。

图1(d)中，在靴梁外侧设置肋板，底板做成正方形或接近正方形。

布置柱脚中的连接焊缝时，应考虑施焊的方便与可能。

例如图1(b)隔板的里侧，图1(c)、(d)中靴梁中央部分的里侧，都不宜布置焊缝。

柱脚是利用预埋在基础中的锚栓来固定其位置的。

铰接柱脚只沿着一条轴线设立两个连接于底板上的锚拴，见图1。

底板的抗弯刚度较小，锚栓受拉时，底板会产生弯曲变形，阻止柱端转动的抗力不大，因而此种柱脚仍视为铰接。

如果用完全符合力学模型的铰，如图3，将给安装工作带来很大困难，而且构造复杂，一般情况没有此种必要。

图2 柱脚的抗剪键图3铰接柱脚不承担弯矩，只承受轴向压力和剪力。

剪力通常由底板与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，即时，应设置抗剪板(或抗剪链)。

应在柱脚底板下设置抗剪键（图2），抗剪键由方钢、短T 字钢或H 型钢做成。

N V 4.0>铰接柱脚通常仅按承受轴向压力计算，轴向压力N 一部分由柱身传给靴梁、肋板等，再传给底板，最后传给基础，另一部分是经柱身与底板间的连接焊缝传给底板，再传给基础。

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。

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：1.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，可考虑米用条形基础，遇到暗浜等不良地质情况，可考虑米用桩基础，一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。

2.柱脚受力(a)铰接柱脚(b)刚接柱脚图8-1不同柱脚型式的受力情况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。

钢结构柱脚刚接与铰接钢结构柱脚的连接方式有刚接和铰接两种。

刚接是指柱脚与基础之间的连接是刚性连接，其刚度较高，可以抵抗较大的水平和垂直荷载。

铰接则是指柱脚与基础之间的连接是非刚性连接，柱脚可以自由旋转和位移，适用于柱脚需要进行位移补偿的情况。

下面将介绍钢结构柱脚刚接和铰接的特点、应用领域和设计要点。

1.刚接的特点刚接的柱脚连接具有以下特点：-构件之间的连接是刚性连接，具有较高的刚度。

-可以抵抗较大的水平和垂直荷载。

-适用于需要较高刚度和稳定性的建筑结构。

-刚接连接可以减小结构整体的变形，提高抗震性能。

-对于需要固定柱脚位置的结构，刚接是更合适的选择。

2.刚接的应用领域刚接多用于以下建筑结构中：-高层建筑：高层建筑对结构的刚性和稳定性要求较高。

-重要的工业设施：例如大型厂房、桥梁等工业设施。

-风力发电机塔架：风力发电机塔架需要抵抗较大的风荷载，所以需要较高的刚度和稳定性。

-较大荷载的设备支承结构等。

3.刚接的设计要点在进行刚接设计时，需要考虑以下要点：-考虑柱脚和基础的截面形状和尺寸，以满足荷载要求。

-考虑柱脚和基础之间的连接方式，可以选择焊接、螺栓连接等。

-确定柱脚的尺寸和材料，以保证连接的刚性和稳定性。

-考虑柱脚处的受力状态，包括水平力和垂直力的作用。

-对于大型建筑结构，可以使用局部加劲构件来增加刚度和稳定性。

-根据设计要求进行结构的验算和计算，确保其可以满足荷载要求和安全性要求。

4.铰接的特点铰接的柱脚连接具有以下特点：-它是一种非刚性连接，柱脚可以自由旋转和位移。

-铰接可以对结构的变形进行控制和调整。

-铰接连接适用于需要进行位移补偿的结构，例如大型管桥、悬索桥等。

-铰接连接可以降低结构的应力集中，提高结构的抗震能力。

5.铰接的应用领域铰接多用于以下建筑结构中：-长大跨度的桥梁结构，如悬索桥和斜拉桥。

-大型管桥和管廊等结构。

6.铰接的设计要点铰接设计时，需要考虑以下要点：-确定铰接的位置和类型，可以选择固定铰接和活动铰接等。

8.5.4.2 铰接柱脚的设计（1）柱脚底板的尺寸确定铰接柱脚底板的长度和宽度应按下式确定，同时需要满足构造上的要求。

c c f LB N ≤=σ (8-69a)式中：N ——为钢柱的轴心压力； L ——为钢柱柱脚底板的长度；B ——为钢柱柱脚底板的宽度；c f ——为钢柱柱脚底板下的混凝土轴心抗压强度设计值。

铰接柱脚底板的厚度应按下式确定，同时不应小于钢柱中较厚板件的厚度，且不小于20mm 。

f M t max6= (8-69b)式中：max M ——为钢柱柱脚底板上的最大弯矩。

根据底板下的混凝土基础反力和底板的支承条件，分别按悬臂板、三边支承板计算得到的最大弯矩，可按下面公式（8-70a ）和（8-70b ）计算；f ——为钢柱柱脚底板钢材的抗拉（压）强度设计值。

钢柱柱脚底板上的最大弯矩通常是根据底板下混凝土基础的反力和底板的支承条件来确定的。

对无加劲板的底板可近似地按悬臂板计算；对H 形截面或工字形截面柱，还需应按三边支承板计算。

计算公式如下：对悬臂板： 21c 15.0a M σ= (8-70a)对三边支承板： 22c 2a M ασ= (8-70b)式中：1a ——为底板的悬臂长度；2a ——为计算区格内，板自由边的长度；α——为与22a b 有关的系数，参见表8-14所示。

系数α、β系数表 表8-14林肯的讲话是极简短、极朴素的。

这往往使那些滔滔不绝的讲演家大瞧不起。

葛底斯堡战役后，决定为死难烈士举行盛大葬礼。

掩葬委员会发给总统一张普通的请帖，他们以为他是不会来的，但林肯答应了。

既然总统来，那一定要讲演的，但他们已经请了著名演说家艾佛瑞特来做这件事，因此，他们又给林肯写了信，说在艾佛瑞特演说完毕之后，他们希望他“随便讲几句适当的话”。

这是一个侮辱，但林肯平静地接受了。

两星期内，他在穿衣、刮脸、吃点心时也想着怎样演说。

演说稿改了两三次，他仍不满意。

到了葬礼的前一天晚上，还在做最后的修改，然后半夜找到他的同僚高声朗诵。

第一部分.设计条件及设计参数杆件编号:918节点编号:19511.柱下端节点轴力 N: ( N )1,150,0002.柱下端节点剪力 V :( N )350,000拼接柱的规格柱及底板,加劲肋的材质235柱脚类型:4地脚螺栓直径 D : 且≥2030柱脚底板下混凝土标号:C30混凝土的轴心抗压强度设计值f15H型钢参数截面尺寸3.钢材抗拉压弯强度设计值： （N/MM 2）2154.钢材抗剪强度设计值： （N/MM 2）1255.焊缝强度设计值： （N/MM 2）角焊缝强度设计值160一,二级对接焊缝拉压强度设计值215第二部分:柱脚底板厚度的计算1.柱底板的尺寸及混凝土基础反力:1).柱底板长度L:且满足构造要求2).柱底板宽度B:且满足构造要求3).混凝土基础反力:9.390.63OK2.柱底板厚度的计算: 且≥201).对悬臂板的弯矩: (N.MM)2,934H型钢柱铰接柱脚连接节点设计计算书HE300BQ ccc f LBN ≤=σ==2115.0a M c σ2).两相邻边支承板的弯矩:#NAME?3).三边支承板的弯矩:#NAME?4).柱底板厚度的计算: 且≥20#NAME?第三部分:柱与柱脚底板的连接焊缝计算柱所能承受最大轴心压力: (N)3,250,800OK柱腹板所能承受最大水平剪力(沿腹板方向): (N)403,403OKA.当沿H型截面柱的周边采用角焊缝围焊时(剪力由腹板全部承担):角焊缝高度hf角焊缝有效宽度5.6单侧翼缘焊缝面积1,680腹板焊缝面积2,9121.由柱轴心压力对焊缝产生的应力:183.350.94OK2.由柱水平剪力对腹板焊缝产生的应力:120.190.75OK3.柱腹板与柱脚底板的连接焊缝应力:192.44 1.20应加大焊缝或增设加劲B.当H型截面柱翼缘采用完全焊透的对接焊缝,而腹板采用双面贴角焊缝连接时(剪力由腹板全部承担):单侧翼板对接焊缝有效面积6,000腹板焊缝面积2,9121.由柱轴心压力对翼缘板焊缝产生的应力:76.060.35OK2.由柱轴心压力对腹板焊缝产生的应力:81.490.42OK3.由柱水平剪力对腹板焊缝产生的应力:120.190.75OK4.柱腹板与柱脚底板的连接焊缝应力:137.510.86OK第四部分:锚拴直径与抗剪连接件1.锚拴直径:铰接柱脚的锚拴仅作安装过程的固定之用,一般直径可在20-42m m的范围内采用.2.判断是否需要增设抗剪连接件:1).摩擦抗剪承载力 ≥1 OK460,000 1.314判断由于柱轴心压力,柱底板对混凝土基础产生的摩擦力大于水平剪力,不必增设抗剪连接件2).抗剪连接件:a.抗剪连接件角焊缝高度hfb.抗剪连接件角焊缝最少总长度(未考虑摩擦抗剪承载力):c.考虑摩擦抗剪承载力抵消一部分剪力后,焊缝实际所需最少总长度:==233a a M c σ==fM t i Pb m ax6==222a a M c σw f f cwNc f A Nβσ≤=wf cwWvW f A V≤=τW f vF fN fsW f ≤+=22)()(τβσσwt wFF NFf A N ≤=σW f vF fNW fsW f ≤+=22)()(τβσσVN v fb ≥=4.0⨯≥Wff W f h Vl 7.0m in wf wWvW f A V≤=τwf f wWWNW f A N βσ≤=。