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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。
