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隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)及民用建筑房屋中的應(yīng)用日益廣泛。特別是近年來，隨著國家的大力提倡，我國鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)得到了空前規(guī)模的發(fā)展。
柱腳是鋼結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，具有固定位置和傳力兩大作用，對整個結(jié)構(gòu)的安全有重大影響。然而柱腳設(shè)計關(guān)鍵點往往被忽略，計算內(nèi)容較多、公式復(fù)雜、鋼結(jié)構(gòu)工程形式多樣，柱腳形式多樣。
本文主要從新建建筑鋼柱腳形式的選用、現(xiàn)行新規(guī)范對柱腳的相關(guān)規(guī)定、構(gòu)造及各種加層鋼結(jié)構(gòu)的柱腳節(jié)點做法等方面，闡述并整理柱腳設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，為設(shè)計人員提供一定參考。
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柱腳形式選用
現(xiàn)行規(guī)范對柱腳形式選用的規(guī)定
不同類型鋼結(jié)構(gòu)工程柱腳查詢表
對于高層鋼結(jié)構(gòu)工程而言，地下室框架柱一般均采用組合結(jié)構(gòu)，如果按照《組合規(guī)》第 6.5條規(guī)定，基礎(chǔ)底板厚度較大，柱腳設(shè)計和構(gòu)造偏于嚴格，造成基礎(chǔ)設(shè)計的極大浪費和不合理。結(jié)合柱腳受力機理，可主要參考《高鋼規(guī)》的規(guī)定。
對于一些執(zhí)行規(guī)范較嚴格的地區(qū)，設(shè)計人員對柱腳的設(shè)計也可采用性能化的設(shè)計方式，即采用大震下地震組合內(nèi)力對柱腳進行設(shè)計，大震下地震力組合值系數(shù)可取1.0，材料的強度采用標準值。
綜合以上各規(guī)范對鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計的規(guī)定，對于不同類型鋼結(jié)構(gòu)工程可選用的柱腳見下表 。
(注：?:適宜采用 ○：可以采用，但需進行性能化設(shè)計 ×：不應(yīng)采用或可不采用)
新鋼標對于柱腳的新規(guī)定
1. 新鋼標明確規(guī)定，插入式柱腳可用于多層鋼結(jié)構(gòu)框架柱，正式認可了插入式柱腳在民用建筑中的應(yīng)用。插入式柱腳之前主要出現(xiàn)在工業(yè)建筑的相關(guān)內(nèi)容。
2. 關(guān)于抗震性能化設(shè)計中對于柱腳的另外一些相關(guān)規(guī)定，詳《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB50017-2017)第17.2.12條。
3. 新鋼標關(guān)于外包式柱腳參考了日本的相關(guān)規(guī)定，受力模式跟之前規(guī)范有更新，鋼柱彎矩在外包柱腳頂部鋼筋位置處最大，底板處約為零，彎矩通過鋼柱和混凝土之間的壓力傳遞。以往受力模式假定是，軸力由鋼柱底板傳遞，彎矩通過栓釘傳遞給混凝土短柱，受力模式的變化導(dǎo)致對栓釘?shù)脑O(shè)計要求有所不同。新鋼標條文中不再寫栓釘?shù)囊?，只是在圖中表示栓釘為可選項，與高鋼規(guī)表示“外包部分的鋼柱翼緣表面宜設(shè)置栓釘”相吻合，即栓釘為構(gòu)造措施。
4.新鋼標提出了4種外包式柱腳典型破壞模式，圍繞破壞模式提出了相應(yīng)的構(gòu)造措施，外包混凝土頂部的抗剪補強鋼筋，通常集中配置3道構(gòu)造箍筋，防止頂部混凝土被壓碎和保證水平剪力的傳遞；外包式柱腳箍筋按100mm的間距配置，以免出現(xiàn)受剪斜裂縫，并應(yīng)保證鋼筋的錨固長度和混凝土的外包厚度；確保外包混凝土的高度。
5.新鋼標對埋入式柱腳的受力模式的假定也做了修改，按鋼柱側(cè)面和混凝土之間的受壓區(qū)支承反力形成的抗力來抵抗彎矩和剪力（高鋼規(guī)未變），與以往計算中假定鋼柱側(cè)面的栓釘剪力來抵抗彎矩的受力模式不同。鋼柱埋入部分可不設(shè)栓釘，對于有拔力的柱，宜在柱埋入混凝土部分設(shè)置栓釘。
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柱腳構(gòu)造
外露式鉸接柱腳
（1）鉸接柱腳的構(gòu)造方式有軸承式（圖1-a），平板式（圖1-b、c），底板加靴梁（圖1-d）三種，工程中還有其他形式的鉸接柱腳。
（2）柱腳底板厚度不宜小于20mm，且不應(yīng)小于鋼柱翼緣厚度。
（3）錨栓一般僅起到安裝過程中固定的作用，因此錨栓的直徑通常根據(jù)其與鋼柱板件的厚度和底板厚度相協(xié)調(diào)的原則來確定，一般可在20~42mm的范圍內(nèi)選擇，且不宜小于20 mm。
（4）為便于安裝與調(diào)整，底板上的螺栓孔應(yīng)比栓桿直徑大0.2~0.5倍，錨栓錨固長度不應(yīng)小于25d，待安裝就位后，將墊板與底板焊死固定。由于底板開孔較大，應(yīng)設(shè)置錨栓螺母墊板，并采用雙螺母緊固。
（5）鉸接柱腳不承受彎矩，錨栓設(shè)在翼緣內(nèi)側(cè)；剛接柱腳錨栓設(shè)在翼緣外側(cè)，通常多于4個。
外露式剛接柱腳
當(dāng)作用在柱腳的軸心壓力和彎矩比較小時候，可采用圖a~e，當(dāng)軸壓力和彎矩較大時，可采用圖f~k，其中圖k為重工業(yè)廠房箱型柱腳。
實腹式剛接柱腳主要由底板、加勁肋、靴梁、隔板、錨栓及錨栓支撐托座等組成，各板件的強度和剛度及相互間的連接應(yīng)起到增加柱腳整體剛度，提高柱腳承載力和變形能力的作用，且構(gòu)造應(yīng)符合下列要求：
（1）柱腳底板厚度不宜小于30mm，且不應(yīng)小于鋼柱翼緣厚度。
（2）當(dāng)采用外露式柱腳時，柱腳的極限承載力不宜小于柱截面塑形屈服承載力的 1.2倍。柱腳錨栓不宜用以承受柱底水平剪力，柱底剪力應(yīng)由底板與基礎(chǔ)間的摩擦力或設(shè)置抗剪鍵及其它措施承擔(dān)，柱腳錨栓應(yīng)可靠錨固。
（3）剛性柱腳的錨栓不僅起到安裝過程固定的作用，且在柱腳彎矩下承受拉力，剛性柱腳的錨栓直徑和數(shù)量應(yīng)由計算確定，直徑不應(yīng)小于24mm。
（4）三級及以上抗震等級時，錨栓截面面積不宜小于鋼柱下端截面面積的20%。
外包式柱腳
（1）外包式柱腳底板應(yīng)位于基礎(chǔ)梁或筏板的混凝土保護層內(nèi)；外包混凝土的厚度，對H形截面柱不宜小于160mm，對矩形管或圓形管柱不宜小于180mm，同時不宜小于鋼柱截面高度的30%；混凝土強度等級不宜低于C30；柱腳混凝土外包高度，H形柱不宜小于柱截面高度的2倍，矩形管柱或圓管柱宜為矩形管截面長邊尺寸或圓管直徑的2.5 倍；當(dāng)沒有地下室時，外包寬度和高度宜增大20%；當(dāng)僅有一層地下室時，外包寬度宜增大10%。
（2）柱腳底板厚度不宜小于16mm。
（3）柱腳錨栓直徑不宜小于16mm，錨固長度不宜小于其直徑的20倍。錨栓直徑選取應(yīng)使基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力值不應(yīng)超過混凝土局部承壓強度設(shè)計值，錨栓底部應(yīng)設(shè)錨板或彎鉤。
（4）柱在外包混凝土的頂部箍筋處應(yīng)設(shè)置水平加勁肋或橫隔板。
（5）當(dāng)框架柱為圓形管或矩形管時，應(yīng)在管內(nèi)澆灌混凝土，強度等級不應(yīng)小于基礎(chǔ)混凝土。澆灌高度應(yīng)高于外包混凝土，不宜小于圓管直徑或矩形管的長邊。
（6）外包鋼筋混凝土的受彎和受剪承載力驗算及受拉鋼筋和箍筋的構(gòu)造要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015年版）（GB50010—2010）的有關(guān)規(guī)定，主筋深入基礎(chǔ)內(nèi)的長度不應(yīng)小于25倍直徑，四角主筋兩端應(yīng)加彎鉤，下彎長度不應(yīng)小于15d，外包層頂部箍筋應(yīng)加強加密（間距不應(yīng)大于50mm），且不應(yīng)小于3道直徑12mm的HRB335級熱軋鋼筋。
（7）外包部分的鋼柱翼緣表面宜按構(gòu)造設(shè)置栓釘，構(gòu)造參埋入式柱腳設(shè)置。
（8）外包式、埋入式柱腳，鋼柱腳在與混凝土接觸的范圍內(nèi)，不得刷油漆；柱腳安裝時，應(yīng)將鋼柱表面的泥土、油污、鐵銹和焊渣等用砂輪清刷干凈。
埋入式柱腳
（1）埋深：H形截面柱的埋置深度不應(yīng)小于鋼柱截面高度的2倍；矩形管柱和圓管柱的埋置深度不應(yīng)小于截面高度和圓管外徑的2.5倍；為使柱的全塑性彎矩傳遞給基礎(chǔ)，對于邊柱和角柱，應(yīng)適當(dāng)加大柱的埋入深度。
（2）鋼柱柱腳底板應(yīng)布置錨栓按抗彎連接設(shè)計，錨栓埋入長度不應(yīng)小于其直徑的25倍，錨栓底部應(yīng)設(shè)錨板或彎鉤，錨板厚度宜大于1.3倍錨栓直徑。應(yīng)保證錨栓四周及底部的混凝土有足夠厚度，避免基礎(chǔ)沖切破壞；錨栓應(yīng)按混凝土基礎(chǔ)要求設(shè)置保護層。
（3）鋼柱埋入部分四周應(yīng)設(shè)置豎向鋼筋和箍筋，豎向鋼筋直徑應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，箍筋直徑不用小于10mm,間距不應(yīng)大于250mm，且頂部應(yīng)加密。邊柱和角柱易產(chǎn)生混凝土剪切破壞，應(yīng)有足夠的配筋，埋入部分的頂部和底部需設(shè)置U形鋼筋加強，如下圖所示，U形鋼筋的開口應(yīng)向內(nèi)側(cè)，其錨固長度應(yīng)從鋼柱內(nèi)側(cè)算起，不小于30倍鋼筋直徑。
（4）鋼柱埋入部分的側(cè)邊混凝土保護層也應(yīng)有足夠的厚度，如下圖所示，保護層厚度C1不得小于鋼柱受彎方向截面高度的1/2，且不小于250mm，C2不小于鋼柱受彎方向截面高度的2/3，且不小于400mm。基礎(chǔ)梁的梁邊相交的夾角應(yīng)做成鈍角，坡度應(yīng)≤1:4。
（5）在混凝土基礎(chǔ)的頂部，鋼柱應(yīng)設(shè)置水平加勁肋。當(dāng)箱形柱壁板寬厚比大于30時，應(yīng)在埋入部分的頂部設(shè)置隔板；也可在箱形柱的埋入部分填充混凝土，當(dāng)混凝土填充至基礎(chǔ)頂部以上 1 倍箱形截面高度時，埋入部分的頂部可不設(shè)隔板。
（6）鋼柱埋入部分可不設(shè)栓釘，對于有拔力的柱，宜在柱埋入混凝土部分設(shè)置栓釘。
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輕鋼加層鋼柱腳設(shè)計
加層鋼結(jié)構(gòu)中的柱腳設(shè)計，因下部混凝土結(jié)構(gòu)情況多樣，可采取不同的節(jié)點處理方案，以下為加層鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點類型匯總圖，后面章節(jié)詳細介紹：
加層柱腳節(jié)點設(shè)計依據(jù)
輕鋼加層柱腳節(jié)點的連接形式分為鉸接和剛接兩種，如下圖所示。鉸接柱腳只能承受軸向壓力和水平剪力的作用，而不能抵抗彎矩作用。而剛接柱腳除受軸向壓力和水平方向剪力外，還能承擔(dān)上部加層結(jié)構(gòu)傳來的彎矩。
由于鋼結(jié)構(gòu)相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重量輕，采用鋼結(jié)構(gòu)加層可大大降低結(jié)構(gòu)的豎向荷載，但對水平方向的荷載沒有影響，即傳遞到柱腳上的水平剪力沒有明顯減小，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB50017-2017）和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB51022-2015)都明確規(guī)定：柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。因此可由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力或設(shè)置抗剪鍵來承受水平剪力，抗剪鍵的設(shè)置如下圖所示。
常用加層鋼柱腳節(jié)點形式
在目前的輕鋼加層工程中，當(dāng)原建筑物為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時，采用的柱腳剛性連接方案主要有以下幾種：
（1）直接鉆孔連接法：如下圖所示，在原結(jié)構(gòu)柱頂?shù)暮线m位置鉆孔并植入錨固鋼筋，在柱頂鋪一定厚度的細石混凝土，在過渡鋼板上與植筋對應(yīng)的位置鉆孔，將過渡鋼板與植入的錨固鋼筋焊接，用結(jié)構(gòu)膠固定植筋與過渡鋼板，最后用螺栓將鋼柱底板與過渡鋼板連接。
該方法適用于原框架柱頂部鋼筋分布不太密集，能夠提供錨固螺栓成孔空間的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是施工簡便，缺點是由于結(jié)構(gòu)膠的使用年限有限且施工質(zhì)量要求高，因此對結(jié)構(gòu)的耐久性和施工質(zhì)量的可靠性無法保證，同時該柱腳形式的抗震性能較差。
（2）柱主筋直接連接法：如下圖所示，在原框架柱的縱筋中，選擇合適位置的縱筋加熱調(diào)直其原錨固段，在過渡鋼板的相應(yīng)位置開孔塞焊，并在柱頂鋪細石混凝土找平，再將鋼柱底板與過渡鋼板用螺栓連接以達到安裝鋼柱的目的。此連接方法的缺點是很多情況下很難找到滿足數(shù)量要求的鋼筋，并且無法保證柱腳在復(fù)雜應(yīng)力作用下的受力性能，不能提高連接節(jié)點的抗震性能。
（3）U型箍連接法：如下圖所示，當(dāng)加層結(jié)構(gòu)只有一層或加層部分的內(nèi)力較小時，可采用U型螺栓連接法，即先在原柱頂鋪一定厚度的混凝土，在鋼柱下使用U型螺栓將鋼柱與原結(jié)構(gòu)混凝土梁連接，鋼柱底板與U型箍之間用鉆孔塞焊或螺栓連接。該柱腳連接形式施工簡便，但不能提高節(jié)點的受力性能。
其它加層鋼柱腳節(jié)點形式在工程中應(yīng)用
由于傳統(tǒng)的三種柱腳連接形式構(gòu)造簡單，不利于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的荷載傳遞，且不能有效提高節(jié)點的抗震性能，因此，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)上采用輕鋼加層時，為了保證加層節(jié)點的可靠性，提高加層后結(jié)構(gòu)的抗震性能，并結(jié)合實際工程，歸納整理以下幾種連接節(jié)點。
（1）新增柱頭外露式柱腳：該柱腳節(jié)點適用于既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)頂部加層層數(shù)較少，新增鋼柱截面尺寸及柱腳底板尺寸較小時，可采用如下節(jié)點連接方式：（此節(jié)點未表示原混凝土梁柱存在自身加固部分）；該方法適用于原框架柱頂部鋼筋分布不太密集的結(jié)構(gòu)。
（2）外包式剛性連接柱腳方案一：該柱腳節(jié)點適用于既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)頂部加層改造，新增鋼柱截面尺寸及柱腳底板尺寸較小且下部混凝土柱截面尺寸較大時，可采用如下節(jié)點連接方式：（此節(jié)點未表示原混凝土梁柱有自身加固部分）
(3) 外包式剛性連接柱腳方案二：該柱腳節(jié)點適用于既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)頂部加層改造，鋼柱柱腳底板尺寸較大，原混凝土柱截面尺寸較小，無法為上部鋼柱外包混凝土部分提供縱筋錨固空間，可采用如下節(jié)點連接方式：
(4) 外包式剛性連接柱腳方案三：該柱腳節(jié)點適用于既有建筑混凝土結(jié)構(gòu)頂部加層改造，鋼柱柱腳底板尺寸較大，原混凝土柱截面尺寸較小，無法為上部鋼柱外包混凝土部分提供縱筋錨固空間，也可采用如下節(jié)點連接方式：
外包式剛性連接柱腳方案二和三，鋼柱底板以上的現(xiàn)澆外包鋼筋混凝土，增加了現(xiàn)澆混凝土柱頭對鋼柱的嵌固能力；使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的軸力和彎矩通過鋼柱和外包鋼筋混凝土共同作用，有效地傳遞到原結(jié)構(gòu)上；同時避免了加層鋼柱與原混凝土柱之間的剛度突變。
外包式加層柱腳節(jié)點施工流程
以下以外包式剛性連接柱腳方案二中的節(jié)點為例，介紹一下施工流程：
（1）鑿除原屋面細石混凝土層之上的柔性防水層，在梁柱節(jié)點區(qū)域內(nèi)的適當(dāng)位置植入鋼筋，如下圖所示。該部分鋼筋在植入原柱體內(nèi)的長度應(yīng)達到錨固長度的要求，以保證新澆柱頭原混凝土柱的有效連接，同時向上延伸至與新澆柱頭等高的長度。
（2）在原鋼筋混凝土柱四周的框架梁和樓板上植入新澆混凝土柱頭的縱筋，該縱筋植入原結(jié)構(gòu)中只起到臨時固定的目的，不要求植筋能傳遞彎矩、剪力等，縱筋向上預(yù)留的長度應(yīng)達到鋼柱外包混凝土高度的要求。植筋完畢后，按設(shè)計要求綁扎箍筋，澆筑新增柱頭的混凝土，并根據(jù)鋼柱底板上錨栓空的位置埋入連接鋼柱的螺栓，澆筑完成的混凝土柱頭如下圖所示。
（3）待柱頭混凝土達到設(shè)計強度后，安裝鋼柱，即將鋼柱底板與預(yù)先埋入混凝土柱頭的螺栓連接，調(diào)節(jié)螺栓以使鋼柱柱頂達到設(shè)計安裝標高。最后綁扎鋼柱外包混凝土的箍筋，二次澆筑混凝土，即完成整個柱腳的施工，如上圖。
本文對新建建筑鋼柱腳形式的選用、現(xiàn)行新規(guī)范對柱腳的相關(guān)規(guī)定、各類形式鋼柱腳的計算 、構(gòu)造及各種加層鋼結(jié)構(gòu)的柱腳節(jié)點做法做了相關(guān)的總結(jié)、整理，希望對設(shè)計人員的設(shè)計工作有一定幫助，不妥之處望指正。
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