鋼結構設計中，節(jié)點設計是重要一環(huán)，而柱腳設計更是重中之重。柱腳計算內(nèi)容多、柱腳形式多樣，如何正確取用至關重要。
本文以現(xiàn)行規(guī)范及網(wǎng)絡資料為參考，結合實際項目經(jīng)驗匯總，供參考。
現(xiàn)行規(guī)范對柱腳形式選用的規(guī)定 
結合各規(guī)范對鋼結構柱腳設計的規(guī)定，對于不同類型鋼結構工程可選用的柱腳見下表 。
(注：?:適宜采用 ○：可采用 ×：不應采用或可不采用) 《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)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構框架柱，正式認可了插入式柱腳在民用建筑中的應用。插入式柱腳之前主要出現(xiàn)在工業(yè)建筑的相關內(nèi)容。 2. 關于抗震性能化設計中對于柱腳的另外一些相關規(guī)定，詳《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)第17.2.12條。 3. 新鋼標關于外包式柱腳參考了日本的相關規(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，受力模式的變化導致對栓釘?shù)脑O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置栓釘”相吻合，即栓釘為構造措施。 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的構造措施，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栓釘，對于有拔力的柱，宜在柱埋入混凝土部分設置栓釘。（1）鉸接柱腳的構造方式有軸承式（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）為便于安裝與調整，底板上的螺栓孔應比栓桿直徑大0.2~0.5倍，錨栓錨固長度不應小于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，應設置錨栓螺母墊板，并采用雙螺母緊固。 ?。?）鉸接柱腳不承受彎矩，錨栓設在翼緣內(nèi)側；剛接柱腳錨栓設在翼緣外側，通常多于4個。 當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，且構造應符合下列要求： （1）柱腳底板厚度不宜小于30mm，且不應小于鋼柱翼緣厚度。 ?。?）當采用外露式柱腳時，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，柱底剪力應由底板與基礎間的摩擦力或設置抗剪鍵及其它措施承擔，柱腳錨栓應可靠錨固。 ?。?）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)量應由計算確定，直徑不應小于24mm。 ?。?）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%。 （1）外包式柱腳底板應位于基礎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；當沒有地下室時，外包寬度和高度宜增大20%；當僅有一層地下室時，外包寬度宜增大10%。 ?。?）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。錨栓直徑選取應使基礎最大壓應力值不應超過混凝土局部承壓強度設計值，錨栓底部應設錨板或彎鉤。 （4）柱在外包混凝土的頂部箍筋處應設置水平加勁肋或橫隔板。 （5）當框架柱為圓形管或矩形管時，應在管內(nèi)澆灌混凝土，強度等級不應小于基礎混凝土。澆灌高度應高于外包混凝土，不宜小于圓管直徑或矩形管的長邊。 ?。?）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造要求應符合現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》（2015年版）（GB50010—2010）的有關規(guī)定，主筋深入基礎內(nèi)的長度不應小于25倍直徑，四角主筋兩端應加彎鉤，下彎長度不應小于15d，外包層頂部箍筋應加強加密（間距不應大于50mm），且不應小于3道直徑12mm的HRB335級熱軋鋼筋。 ?。?）外包部分的鋼柱翼緣表面宜按構造設置栓釘，構造參埋入式柱腳設置。 ?。?）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，應將鋼柱表面的泥土、油污、鐵銹和焊渣等用砂輪清刷干凈。 ?。?）埋深：H形截面柱的埋置深度不應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，對于邊柱和角柱，應適當加大柱的埋入深度。 ?。?）鋼柱柱腳底板應布置錨栓按抗彎連接設計，錨栓埋入長度不應小于其直徑的25倍，錨栓底部應設錨板或彎鉤，錨板厚度宜大于1.3倍錨栓直徑。應保證錨栓四周及底部的混凝土有足夠厚度，避免基礎沖切破壞；錨栓應按混凝土基礎要求設置保護層。 ?。?）鋼柱埋入部分四周應設置豎向鋼筋和箍筋，豎向鋼筋直徑應符合《混凝土結構設計規(guī)范》的相關規(guī)定，箍筋直徑不用小于10mm,間距不應大于250mm，且頂部應加密。邊柱和角柱易產(chǎn)生混凝土剪切破壞，應有足夠的配筋，埋入部分的頂部和底部需設置U形鋼筋加強，如下圖所示，U形鋼筋的開口應向內(nèi)側，其錨固長度應從鋼柱內(nèi)側算起，不小于30倍鋼筋直徑。 （4）鋼柱埋入部分的側邊混凝土保護層也應有足夠的厚度，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?；A梁的梁邊相交的夾角應做成鈍角，坡度應≤1:4。 ?。?）在混凝土基礎的頂部，鋼柱應設置水平加勁肋。當箱形柱壁板寬厚比大于30時，應在埋入部分的頂部設置隔板；也可在箱形柱的埋入部分填充混凝土，當混凝土填充至基礎頂部以上 1 倍箱形截面高度時，埋入部分的頂部可不設隔板。（6）鋼柱埋入部分可不設栓釘，對于有拔力的柱，宜在柱埋入混凝土部分設置栓釘。 插入式柱腳是指鋼柱直接插入已澆筑好的杯口內(nèi)，經(jīng)校準后用細石混凝土澆灌至基礎頂面，使鋼柱與基礎剛性連接。柱腳的作用是將鋼柱下端的內(nèi)力(軸力、彎矩、剪力)通過二次澆灌的細石混凝土傳給基礎，其作用力的傳遞機理與埋入式柱腳基本相同。鋼柱下部的彎矩和剪力，主要是通過二次澆灌層細石混凝土對鋼柱翼緣的側向壓力所產(chǎn)生的彎矩來平衡，軸向力由二次澆灌層的粘結力和柱底反力承受。鋼柱側面混凝土的支承反力形成的抵抗彎矩和承壓高度范圍內(nèi)混凝土的抗力與鋼柱的彎矩和剪力平衡，便可得出保證鋼柱與基礎剛性連接的插入深度。
插入混凝土基礎杯口的深度應符合表12．7．10的規(guī)定，實腹截面柱柱腳應根據(jù)本標準第12．7．9條的規(guī)定計算，雙肢格構柱柱腳應根據(jù)下列公式計算： 式中：N——柱肢軸向拉力設計值(N)；
ft——杯口內(nèi)二次澆灌層細石混凝土抗拉強度設計值(N／mm2)；
S——柱肢外輪廓線的周長，對圓管柱可按式(12．7．10-2)計算。表12．7．10 鋼柱插入杯口的最小深度
加層鋼結構中的柱腳設計，因下部混凝土結構情況多樣，可采取不同的節(jié)點處理方案，以下為加層鋼結構柱腳節(jié)點類型匯總圖，后面章節(jié)詳細介紹： 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，還能承擔上部加層結構傳來的彎矩。 由于鋼結構相比于鋼筋混凝土結構的重量輕，采用鋼結構加層可大大降低結構的豎向荷載，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，《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(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間的摩擦力或設置抗剪鍵來承受水平剪力，抗剪鍵的設置如下圖所示。 在目前的輕鋼加層工程中，當原建筑物為鋼筋混凝土框架結構時，采用的柱腳剛性連接方案主要有以下幾種： ?。?）直接鉆孔連接法：如下圖所示，在原結構柱頂?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的位置鉆孔，將過渡鋼板與植入的錨固鋼筋焊接，用結構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構。其優(yōu)點是施工簡便，缺點是由于結構膠的使用年限有限且施工質量要求高，因此對結構的耐久性和施工質量的可靠性無法保證，同時該柱腳形式的抗震性能較差。 ?。?）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直其原錨固段，在過渡鋼板的相應位置開孔塞焊，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雜應力作用下的受力性能，不能提高連接節(jié)點的抗震性能。 ?。?）U型箍連接法：如下圖所示，當加層結構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構混凝土梁連接，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。 由于傳統(tǒng)的三種柱腳連接形式構造簡單，不利于復雜應力狀態(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構上采用輕鋼加層時，為了保證加層節(jié)點的可靠性，提高加層后結構的抗震性能，并結合實際工程，歸納整理以下幾種連接節(jié)點。 ?。?）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構頂部加層層數(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構。 ?。?）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構頂部加層改造，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構頂部加層改造，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構頂部加層改造，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；使上部結構產(chǎn)生的軸力和彎矩通過鋼柱和外包鋼筋混凝土共同作用，有效地傳遞到原結構上；同時避免了加層鋼柱與原混凝土柱之間的剛度突變。
