鋼結(jié)構(gòu)剛性固定鋼柱腳設(shè)計(jì)方法的總結(jié)
一,、鋼柱柱腳形式的分類
剛性固定柱腳：
1）埋入式柱腳；
2）外包式柱腳,；
3）插入式柱腳,；
鉸接柱腳：
外露式柱腳,；
二,、埋入式柱腳
2.1,、基本概念：
所謂埋入式柱腳是指將鋼柱底端直接埋入混凝土基礎(chǔ)筏板、地基梁或地下室墻體內(nèi)的一種剛性連接的柱腳,。其特點(diǎn)是埋入相對(duì)自身絕對(duì)剛性的基礎(chǔ)中而形成剛性固定柱腳節(jié)點(diǎn),。這種柱腳構(gòu)造可靠，常用于高層鋼結(jié)構(gòu)框架柱的柱腳,。
2.2、埋入式柱腳的受力特點(diǎn)
（1）柱的軸向壓力N,，由鋼柱的柱腳底板直接傳遞給鋼筋混凝土基礎(chǔ),；柱的軸向拉力，則是通過(guò)柱腳底板懸出部分將其上部混凝土的反向壓力傳遞給基礎(chǔ)，或經(jīng)由錨栓（底腳螺栓）直接傳給基礎(chǔ),。
（2）柱的彎矩M有兩種傳遞方式：
a,、均由H型鋼柱翼緣上的抗剪圓柱頭焊釘傳遞給基礎(chǔ)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中大多采用該方法,。（也有研究說(shuō)：該形式的柱腳中栓釘?shù)淖饔貌淮?，?nèi)力的傳遞主要是下述方式。）
b,、依靠鋼筋混凝土對(duì)鋼柱翼緣的側(cè)向承壓力所產(chǎn)生的抵抗拒來(lái)傳遞給基礎(chǔ),。
（3）柱腳頂部的水平剪力V由鋼柱翼緣與基礎(chǔ)混凝土側(cè)向承壓力來(lái)傳遞。
由于目前還沒(méi)有能力考慮的有利因素如下：
（4）鋼柱翼緣與基礎(chǔ)混凝土在側(cè)向承壓應(yīng)力狀態(tài)下,，由于鋼柱翼緣與混凝土摩擦而產(chǎn)生的抵抗力,，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮。
（5）鋼柱翼緣與基礎(chǔ)混凝土之間的粘結(jié)作用設(shè)計(jì)時(shí)不考慮,。
（6）在確定埋入鋼柱周邊對(duì)稱配置的垂直縱向鋼筋面積時(shí),，不考慮由鋼柱承擔(dān)的彎矩。
埋入式柱腳的埋深與構(gòu)造示意圖如下：
2.3,、埋入式柱腳一般構(gòu)造要求及部分細(xì)部設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1,、埋入式柱腳的鋼柱埋入基礎(chǔ)的深度一般可以在以下范圍內(nèi)采用（hc為鋼柱截面的高度或管徑）：
a、輕型工字鋼截面柱： H=（2.0~2.5）hc,；
b,、圓管形截面柱和箱型截面鋼柱：H=（2.5~3.0）hc。
2.3.2,、埋入式柱腳,，在鋼柱埋入部分的頂部，應(yīng)設(shè)置水平加勁肋或橫隔板,；對(duì)H型截面柱,，其水平加勁肋外伸寬度的寬厚比應(yīng)不大于9（235/fay）½，對(duì)于箱型截面柱,，其內(nèi)部橫隔板的寬厚比應(yīng)不大于30（235/fay）½,，
2.3.3、埋入式柱腳在鋼柱的埋入部分,，應(yīng)設(shè)置圓柱頭抗剪栓釘,，栓釘?shù)臄?shù)量和布置，應(yīng)按計(jì)算要求確定,。H型截面柱強(qiáng)軸左右兩側(cè)的翼緣,、箱型截面柱兩軸的每側(cè)、圓管形截面柱兩軸的每側(cè)（90度扇面）,，其栓釘數(shù)目不宜小于8φ16,，栓釘水平和豎向中心距均不應(yīng)大于200mm,，栓釘豎向中心距不宜小于6d，橫向間距不宜小于4d,，栓釘外表面至鋼柱翼緣側(cè)邊的距離不應(yīng)小于20mm,；栓釘?shù)闹睆讲粦?yīng)小于φ16（常用φ19），栓釘長(zhǎng)度宜取4~6倍栓釘直徑,。
2.3.4,、埋入式柱腳鋼柱腳底板的長(zhǎng)和寬，按柱的軸力根據(jù)下式計(jì)算確定,，同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)造要求,；N / (L*B) ≦ fc (N為柱軸力，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值),；一般鋼柱腳底板的厚度不小于鋼柱較厚板件厚度,，且不小于20mm，同時(shí)應(yīng)符合下式要求：t≥(6Mmax/f) ½.（式中,，Mmax―根據(jù)鋼柱腳底板與基礎(chǔ)間的壓應(yīng)力和鋼柱腳底板的支承條件所確定的柱腳底板的最大彎矩,。）
2.3.5、鋼柱腳底板當(dāng)需要錨栓固定時(shí),，錨栓的錨固深度應(yīng)不小于25d,；錨栓一般僅作安裝固定之用。
2.3.6,、鋼柱腳埋入部分的外圍混凝土內(nèi)應(yīng)配置豎向鋼筋以形成暗柱,，暗柱截面可為鋼柱邊長(zhǎng)加300mm，其配筋率應(yīng)不小于0.2%,，豎向鋼筋沿周邊的間距應(yīng)不大于200mm,，四根角筋的直徑應(yīng)不小于φ20，每邊中間的附加鋼筋應(yīng)不小于φ16,，箍筋一般取φ10@100,，靠近基礎(chǔ)頂面應(yīng)增設(shè)三道φ12@50加強(qiáng)箍筋，豎向鋼筋應(yīng)錨入柱腳底板下不少于35d,。
柱腳一側(cè)豎向鋼筋（主筋）的截面面積As應(yīng)按下式驗(yàn)算：
As = M / (d*fsy) ; M=M1+V*h
式中： M ―作用于鋼柱柱腳底部的彎矩設(shè)計(jì)值,；
M1 ―作用于鋼柱埋入處頂部的彎矩設(shè)計(jì)值；
V ―作用于鋼柱埋入處頂部的水平剪力設(shè)計(jì)值,；
h ―鋼柱的埋深,；
d ―受拉側(cè)與受壓側(cè)豎向鋼筋合力點(diǎn)間的距離；
fsy ―鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,；
三,、外包式柱腳
3.1、基本概念：
所謂外包式柱腳是指將鋼柱底板放置基礎(chǔ)面上,，再由基礎(chǔ)伸出鋼筋混凝土短柱將鋼柱柱腳澆筑包裹住成為一個(gè)整體,。如下圖所示：
3.2,、外包式柱腳的受力特點(diǎn)
（1）柱的軸向壓力N，由鋼柱的柱腳底板直接傳遞給鋼筋混凝土基礎(chǔ),；柱的軸向拉力，則是通過(guò)柱腳底板懸出部分和錨栓傳給基礎(chǔ),。
（2）柱的彎矩由鋼柱翼緣的栓釘傳遞給包腳鋼筋混凝土短柱,，并由鋼筋混凝土短柱傳遞至基礎(chǔ)。因此,，在外包式柱腳中栓釘起著重要的傳力作用,。同時(shí)，短柱配筋由彎矩的大小決定,，但是在計(jì)算短柱垂直縱向主筋的配置時(shí),，不考慮鋼柱承擔(dān)的內(nèi)力。
（3）包腳處頂部的水平剪力由包腳混凝土和短柱箍筋共同承擔(dān),。栓釘起著重要的傳力作用,。
3.3、外包式柱腳一般構(gòu)造要求及部分細(xì)部設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1,、鋼柱柱腳外包混凝土短柱的高度一般可以在以下范圍內(nèi)采用（hc為鋼柱截面的高度或管徑）：
a,、輕型工字鋼截面柱： H=（2.0~2.5）hc；
b,、圓管形截面柱和箱型截面鋼柱：H=（2.5~3.0）hc,。
3.3.2、外包式柱腳鋼柱在短柱的頂部,，同樣應(yīng)設(shè)置水平加勁肋或橫隔板,；對(duì)H型截面柱，其水平加勁肋外伸寬度的寬厚比應(yīng)不大于9（235/fay）½,，對(duì)于箱型截面柱,，其內(nèi)部橫隔板的寬厚比應(yīng)不大于30（235/fay）½，
3.3.3,、外包式柱腳鋼柱在混凝土短柱部分,，應(yīng)設(shè)置圓柱頭抗剪栓釘，栓釘?shù)臄?shù)量和布置,，應(yīng)按計(jì)算要求確定,。H型截面柱強(qiáng)軸左右兩側(cè)的翼緣、箱型截面柱兩軸的每側(cè),、圓管形截面柱兩軸的每側(cè)（90度扇面）,，其栓釘數(shù)目不宜小于8φ16，栓釘水平和豎向中心距均不應(yīng)大于200mm,，栓釘豎向中心距不宜小于6d,，橫向間距不宜小于4d,，栓釘外表面至鋼柱翼緣側(cè)邊的距離不應(yīng)小于20mm；栓釘?shù)闹睆讲粦?yīng)小于φ16（常用φ19）,，栓釘長(zhǎng)度宜取4~6倍栓釘直徑,。
栓釘數(shù)量計(jì)算公式如下：
n≥Nf/Nv ; Nf=M/hc; Nv=0.43As(Ec*fc) ½ ≤0.7As*γ*f;
上式中各符號(hào)的含義：
n ―理論計(jì)算所需栓釘最少數(shù)量;
Nf ―由于彎矩M的作用，在混凝土內(nèi)部鋼柱單側(cè)翼緣產(chǎn)生的軸向壓（拉）力,；
M ―作用于鋼柱包腳頂部的彎矩,；
hc ―包腳鋼柱的截面高度；
Nv ―一個(gè)圓柱頭焊接栓釘受剪承載力設(shè)計(jì)值,；
As ―一個(gè)圓柱頭栓釘截面面積,；
Ec ―混凝土的彈性模量；
fc ―混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,；
f ―栓釘所用材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,；
3.3.4、外包式柱腳鋼柱腳底板的長(zhǎng)和寬,，按柱的軸力根據(jù)下式計(jì)算確定,，同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)造要求；N / (L*B) ≦ fc (N為柱軸力,，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值),；一般鋼柱腳底板的厚度不小于鋼柱較厚板件厚度，且不小于20mm,，同時(shí)應(yīng)符合下式要求：t≥(6Mmax/f) ½.（式中,，Mmax―根據(jù)鋼柱腳底板與基礎(chǔ)間的壓應(yīng)力和鋼柱腳底板的支承條件所確定的柱腳底板的最大彎矩。）
3.3.5,、鋼柱腳底板固定錨栓一般僅作安裝固定之用,，錨栓的錨固深度應(yīng)不小于25d。
3.3.6,、外包式鋼柱腳翼緣外側(cè)混凝土保護(hù)層的厚度不應(yīng)小于200mm,，短柱的截面可為鋼柱邊長(zhǎng)加200mm，其配筋率應(yīng)不小于0.2%,，豎向鋼筋沿周邊的間距應(yīng)不大于200mm,，四根角筋的直徑應(yīng)不小于φ20，每邊中間的選自.投標(biāo)書(shū)代寫(xiě)網(wǎng) yipai178.com 附加鋼筋應(yīng)不小于φ16,，箍筋一般取φ10@100,，靠近基礎(chǔ)頂面應(yīng)增設(shè)三道φ12@50加強(qiáng)箍筋，豎向鋼筋應(yīng)錨入柱腳底板下不少于35d,。
柱腳一側(cè)豎向鋼筋（主筋）的截面面積As應(yīng)按下式驗(yàn)算：
As = M / (d*fsy) ; M=M1+V*h
式中： M ―作用于鋼柱柱腳底部的彎矩設(shè)計(jì)值,；
M1 ―作用于鋼柱埋入處頂部的彎矩設(shè)計(jì)值；
V ―作用于鋼柱埋入處頂部的水平剪力設(shè)計(jì)值；
h ―鋼柱的埋深,；
d ―受拉側(cè)與受壓側(cè)豎向鋼筋合力點(diǎn)間的距離,；
fsy ―鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；
四,、插入式柱腳
4.1,、基本概念：
所謂插入式柱腳是指將鋼柱腳插入混凝土杯口基礎(chǔ)內(nèi)，采用二次澆灌微膨脹細(xì)石混凝土固定,，其構(gòu)造簡(jiǎn)單,，節(jié)約鋼材，安全可靠,，施工方便等優(yōu)點(diǎn)。插入式柱腳一般僅用于單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房,，不適合高層建筑鋼結(jié)構(gòu),。
4.2、插入式柱腳的受力特點(diǎn)
其受力特點(diǎn)同外包式柱腳,，僅是施工順序有別,。
4.3、插入式柱腳一般構(gòu)造要求及部分細(xì)部設(shè)計(jì)計(jì)算
除其混凝土杯口構(gòu)造有別外,，其它基本和外包式柱腳相似,。
4.4、高杯口基礎(chǔ)短柱構(gòu)造
高杯口基礎(chǔ)短柱的縱向鋼筋,除滿足計(jì)算要求外,，還應(yīng)滿足下列構(gòu)造要求：
4.4.1,、短柱四角縱向鋼筋的直徑不宜小于20mm，并延伸至基礎(chǔ)底板的鋼筋網(wǎng)上,。大噸位吊車的雙肢柱短柱四角縱向鋼筋的直徑不宜小于25mm
4.4.2,、短柱長(zhǎng)邊的縱向鋼筋，當(dāng)長(zhǎng)邊尺寸小于1000mm時(shí),，其鋼筋直徑不應(yīng)小于12mm,，間矩不應(yīng)大于200mm，當(dāng)長(zhǎng)邊尺寸大于或等于1000mm時(shí),，其鋼筋直徑不應(yīng)小于16mm,，間距不應(yīng)大于200mm，且每隔一米左右伸下一根并作150mm的直鉤支承在基礎(chǔ)底部的鋼筋網(wǎng)上,，其余鋼筋錨固至基礎(chǔ)底板頂面下la處,。
4.4.3、短柱短邊每隔200mm應(yīng)配置直徑不小于16mm的縱向鋼筋,，且每邊的配筋率不少于0.05%短柱的截面面積,。
4.4.4、短柱中的箍筋直徑不應(yīng)小于8mm,，間距不應(yīng)大于150mm,；當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8度和9度時(shí),，箍筋直徑不應(yīng)小于8mm，間距不應(yīng)大于100mm,；在靠近短柱頂面處應(yīng)增設(shè)三道加強(qiáng)箍筋3Φ10@50,。
4.4.5、短柱頂面焊接鋼筋網(wǎng)：當(dāng)短柱長(zhǎng)邊尺寸小于或等于1000mm時(shí),，其鋼筋直徑不應(yīng)小于12mm,；當(dāng)短柱長(zhǎng)邊尺寸大于1000mm、小于1500mm時(shí),，其鋼筋直徑不應(yīng)小于14mm,；當(dāng)短柱長(zhǎng)邊尺寸大于1500mm、小于2000mm時(shí),，其鋼筋直徑不應(yīng)小于16mm,。
4.4.6、對(duì)H型截面鋼柱,，其插入深度一般可在（2.0~2.5）倍柱截面高范圍內(nèi)采用,。實(shí)腹式鋼柱采用插入式柱腳的埋入深度，不得小于鋼柱截面高度的2倍,；同時(shí)應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.13條計(jì)算式：d≥(6M/bf*fc）½的要求,。[式中d——柱腳埋深；M——柱腳全截面屈服時(shí)的極限彎矩,；bf——柱在受彎方向截面的翼緣寬度,；fc——基礎(chǔ)混凝土軸心受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值]
4.4.7、高杯口基礎(chǔ)的杯壁厚度t按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007--2002）表8.2.6取值,。
4.4.8,、鋼柱(包括雙肢鋼柱)與高杯口基礎(chǔ)的連接，應(yīng)符合上述第4.4.6條插入深度的規(guī)定,。杯壁厚度符合上述第4.4.7條的規(guī)定且符合下列條件時(shí),杯壁和短柱配筋,，可按上述第4.4.1~4.4.5條的構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（1）,、起重機(jī)起重量小于或等于75t,軌頂標(biāo)高小于或等于14m,基本風(fēng)壓小于0.5kPa的工業(yè)廠房,且基礎(chǔ)短柱的高度不大于5m.,；
（2）、起重機(jī)起重量大于75t,，基本風(fēng)壓大于0.5kPa,，且符合下列表達(dá)式(對(duì)截面短軸而言，鋼筋混凝土短柱的剛度大于等于插入鋼柱剛度的十倍)：
E2* I2 / E1* I1≥10
式中：
E1---鋼柱的彈性模量,；
I1---鋼柱對(duì)其截面短軸的慣性矩,；
E2---短柱的鋼筋混凝土彈性模量；
I2---短柱對(duì)其截面短軸的慣性矩。
4.4.9,、當(dāng)不符合第4.4.8條構(gòu)造配筋條件的要求時(shí),，鋼筋混凝土短柱應(yīng)按計(jì)算要求配筋，其受力側(cè)縱筋單邊配筋率應(yīng)不小于0.2%,，箍筋應(yīng)沿短柱全長(zhǎng)加密為@100,，箍筋直徑不小于φ8（七度以上抗震設(shè)防不小于φ10）
