鋼柱柱腳形式分類(lèi)及其力學(xué)性能詳解
wujiai
1、按支撐型式可分為：剛性柱腳、鉸接柱腳。
2、按結(jié)構(gòu)形式可分為：內(nèi)嵌柱腳、外包柱腳、插入柱腳、外露柱腳。
1.柱腳型式及力學(xué)性能
（1）外露柱腳：柱底部焊接在剛性較大的底板上，底板用預(yù)埋在混凝土基礎(chǔ)中的錨栓固定。這種形式自鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展初期便開(kāi)始使用。傳統(tǒng)上將柱腳分為鉸接式或剛性式兩大類(lèi)，但前者難以得到完整的鉸接，或雖能傳遞一定的彎矩，但不能滿(mǎn)足完全間接剛度條件，從力學(xué)角度看，將其視為半剛性連接更為合適。該類(lèi)柱腳傳遞彎矩的原理模型如圖1所示。柱腳上作用有軸力、彎矩和剪力，其中拉力和壓力通過(guò)柱底板與混凝土基礎(chǔ)接觸傳遞，剪力則靠柱底板與基礎(chǔ)接觸面的摩擦力抵抗或通過(guò)錨栓傳遞。
圖1 裸露柱底座傳力原理
與柱根部截面完全塑性彎矩相比，由錨栓屈服決定的柱底部塑性彎矩多數(shù)情況下較小，該柱腳在彎矩作用下的受力行為主要由錨栓的性能決定，其荷載-變形關(guān)系如圖2所示。若錨栓在受拉屈服后能充分發(fā)揮塑性變形，則在重復(fù)荷載作用下，外露柱腳的恢復(fù)力特性如圖3所示。但在實(shí)際的柱腳工程設(shè)計(jì)中，常常會(huì)出現(xiàn)在錨栓截面薄弱部位屈服之前螺紋部位就發(fā)生斷裂，或者由于錨固不充分而有很大的可能性將錨栓拉脫的情況，這種情況下很難看到柱腳產(chǎn)生足夠的塑性變形。
圖3 重復(fù)荷載作用下裸露柱腳的恢復(fù)力
（2）外柱底座
外包鋼筋混凝土柱腳在鋼柱底部包裹鋼筋混凝土，包裹層厚度相當(dāng)于柱截面高度（最大截面尺寸）的2.5~3倍（圖4）。此種形式的柱腳設(shè)計(jì)為固定柱腳，設(shè)計(jì)正確可以保證柱腳的固定程度和承載力。此種柱腳的受力行為主要由外包鋼筋混凝土的受力行為決定。
圖4 外包柱基
（3）預(yù)埋柱腳
預(yù)埋柱腳是將鋼柱底部預(yù)埋到基礎(chǔ)混凝土中，預(yù)埋長(zhǎng)度約為截面高度的2倍，周邊采用鋼筋混凝土加固（圖5）。從施工方便性來(lái)看，該類(lèi)柱腳較其他型式的柱腳需要的工序較多，造成工期方面的劣勢(shì)。但它可以使鋼柱底部容易滿(mǎn)足形成塑性鉸的要求，結(jié)構(gòu)概念十分清晰。因此，只要設(shè)計(jì)和施工正確，柱腳的恢復(fù)力特性可以呈現(xiàn)穩(wěn)定的紡錘形關(guān)系。設(shè)計(jì)中要注意的主要問(wèn)題是保證鋼柱預(yù)埋部分的柱腳深度和周邊混凝土的厚度。
圖5 預(yù)埋柱腳
（圖6）表示柱埋入深度按1D、2D、3D（D：柱截面高度）變化時(shí)柱底座的恢復(fù)力特性。恢復(fù)力特性隨柱底座埋入深度的變化而變化，但當(dāng)埋入深度達(dá)到柱截面高度的2倍時(shí)，可以認(rèn)為基本成為紡錘形。為考慮與周?chē)炷恋恼辰Y(jié)，也有在柱埋入部分焊接栓釘?shù)脑O(shè)計(jì)方法，但栓釘僅在鋼柱埋入部分與周?chē)炷链嬖谳^大分離時(shí)才起作用。在預(yù)期設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)這么大的分離，因此可以認(rèn)為在這方面基本沒(méi)有影響。
圖6 嵌入式柱腳恢復(fù)力特性
預(yù)埋柱腳周?chē)炷脸惺茏饔糜谥椎膹澗睾图袅�，產(chǎn)生很大的壓力（見(jiàn)圖7），因此必須保證外層厚度，防止發(fā)生剪切破壞。中柱一般沒(méi)有問(wèn)題，但邊柱、角柱必須根據(jù)計(jì)算確定外層厚度。如果因相鄰建筑物、紅線(xiàn)等問(wèn)題不能保證必要的混凝土厚度，則必須采用鋼筋進(jìn)行必要的加固。
2.柱腳設(shè)計(jì)與施工基本要點(diǎn)
為確保柱底座節(jié)點(diǎn)的抗震安全性，必須充分了解柱底座的力學(xué)性能，并正確進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。
對(duì)于設(shè)計(jì)而言，首先在使用極限狀態(tài)下，需要明確柱腳的性能要求。其次，在承載力極限狀態(tài)下，需要考慮鋼柱和柱腳的性能。也就是說(shuō)，在使用極限狀態(tài)下，設(shè)計(jì)為鉸接連接的柱腳不應(yīng)產(chǎn)生彎矩，但可以進(jìn)行一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)。而作為固定連接考慮的柱腳為剛接，可以承受彎矩。另外，一般的外露柱腳、錨栓、柱腳底板等都會(huì)產(chǎn)生彈性變形。完全的剛接連接是不可能的。再者，在承載力極限狀態(tài)下，柱腳部分會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，因此要求具有較大的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。柱腳的詳細(xì)設(shè)計(jì)必須按照設(shè)計(jì)方針的要求進(jìn)行。
因此，對(duì)于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，正確評(píng)估柱底座的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，在結(jié)構(gòu)分析中考慮柱底座剛度來(lái)獲得設(shè)計(jì)內(nèi)力，準(zhǔn)確掌握作用于柱底座的內(nèi)力，是基本要求。對(duì)軸力、彎曲力、剪切力進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)是基本要求。
下面介紹各種形式的柱底座的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
（1）外露柱腳
使外露的柱腳完全鉸接或完全剛性化是相當(dāng)困難的。但如能滿(mǎn)足下列條件，柱腳基本上可以設(shè)計(jì)成鉸接的：柱底板具有很大的剛度，可以抑制局部變形；選擇適當(dāng)?shù)腻^栓長(zhǎng)度，使錨栓螺紋部分在錨栓全長(zhǎng)塑性變形未充分發(fā)展之前不發(fā)生斷裂；錨栓在混凝土基礎(chǔ)中的粘結(jié)部分可以防止剪切破壞。但在這種情況下，錨栓的抗拉承載力必須大于水平力引起的柱腳拉力(不考慮活載效應(yīng))和柱的抗拉屈服承載力的1/2，取較小者。最好在柱底板下面設(shè)置剪力鍵略鋼，以保證抵抗水平力的作用。
當(dāng)外露柱腳設(shè)計(jì)為彎曲柱腳時(shí)，錨栓承受彎矩產(chǎn)生的拉力，柱底板與基礎(chǔ)混凝土的接觸面承受壓力。在初步設(shè)計(jì)階段，一般假定柱底板為剛性構(gòu)件，錨栓作為受拉鋼筋，以基礎(chǔ)底板面積作為鋼筋混凝土柱的截面，并根據(jù)此計(jì)算結(jié)果選取錨栓截面。在這種情況下，當(dāng)柱截面大到一定程度時(shí)，往往很難選取足夠粗的錨栓來(lái)保證必要的承載力，因此很難設(shè)計(jì)出彎曲承載力大于柱截面彎曲承載力的柱腳。如果能采用一定程度的高強(qiáng)度錨栓，應(yīng)該可以解決這個(gè)問(wèn)題。然而，一旦采用高強(qiáng)度錨栓，就可能引起設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題，以防止基礎(chǔ)混凝土錨固部位的沖切破壞和剪切破壞。 此外，柱底板與下伏基礎(chǔ)混凝土之間壓力過(guò)大的問(wèn)題也會(huì)隨之而來(lái)。因此，外露柱腳的設(shè)計(jì)承載力大多取決于柱腳的承載力而非柱的承載力，此時(shí)柱腳部分的彎曲承載力至少要達(dá)到柱本身彎曲承載力的1/2以上。另外，為保證塑性變形能力，柱腳各部分的設(shè)計(jì)與施工要求也必須具有與上述鉸接柱腳相同的保證條件。此外，此時(shí)需要正確評(píng)估柱腳的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與恢復(fù)力特性，并在框架設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來(lái)。
綜合考慮以上幾點(diǎn)，現(xiàn)將外露柱底座設(shè)計(jì)相關(guān)各項(xiàng)內(nèi)容的具體內(nèi)容舉例如下（參見(jiàn)圖8、圖9）。
圖9 外埋式柱腳傳力原理
a) 柱底板
柱底板厚度的確定或適當(dāng)加固，以保證底板在極限承載力狀態(tài)下也能保持彈性。因此，設(shè)計(jì)的底板可以視為剛性構(gòu)件，在評(píng)估柱腳剛度時(shí)可以不考慮底板變形的影響。但底板與柱之間的焊接采用全焊透焊接連接，在底板下方，焊接可以抵抗剪力作用的剪切力。
b) 錨栓
b-1.要求錨栓在極限承載力狀態(tài)下在柱腳處產(chǎn)生塑性變形。
地腳螺栓采用Q235B、Q355B等鋼材，保證屈服強(qiáng)度比和塑性變形能力。
錨栓的螺紋部分經(jīng)過(guò)加工后，置于錨栓兩端，確保在螺栓桿達(dá)到全截面屈服前，螺紋部分不敢拉脫。螺栓桿的長(zhǎng)度大于其直徑的25倍。螺栓桿涂有防銹涂層或包裹。采用雙螺母固定螺栓底板，防止轉(zhuǎn)動(dòng)。在埋入基礎(chǔ)混凝土中的端部設(shè)置錨栓，防止錨栓拉脫。
b-2. 當(dāng)柱在極限承載力狀態(tài)下要求其底部產(chǎn)生塑性變形時(shí)
對(duì)錨桿材料的強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比、塑性變形能力等沒(méi)有限制，但應(yīng)選擇錨桿的截面積，使極限狀態(tài)下柱內(nèi)彎矩和拉力在錨絲中引起的應(yīng)力低于錨桿的屈服強(qiáng)度。
地腳螺栓兩端設(shè)置必要長(zhǎng)度的螺紋部分，地腳螺栓桿的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)置成不使基礎(chǔ)混凝土從地腳螺栓固定點(diǎn)剪斷，固定柱底板時(shí)采用雙螺母防止轉(zhuǎn)動(dòng)，埋入基礎(chǔ)混凝土的端部應(yīng)設(shè)置錨栓，防止地腳螺栓被拉出。
c 基礎(chǔ)混凝土
基礎(chǔ)混凝土短柱部分在承受柱底板壓力時(shí)，不應(yīng)使共同部分發(fā)生破壞，因此尺寸應(yīng)相對(duì)柱底板有足夠放大，錨栓外側(cè)應(yīng)設(shè)置附加鋼筋，在極限荷載狀態(tài)下，應(yīng)保證必要的深度和寬度，防止從錨栓固定點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生混凝土沖切、剪切破壞。
d. 基礎(chǔ)灌漿
混凝土基礎(chǔ)頂面與柱底板之間應(yīng)留有足夠的間隙，以灌注砂漿，砂漿應(yīng)采用高強(qiáng)度無(wú)收縮砂漿。
a) 確保預(yù)埋在基礎(chǔ)混凝土中的地腳螺栓的平面位置和伸出長(zhǎng)度
b) 地腳螺栓防銹處理
c) 錨栓的粘接
d) 柱底板與混凝土基礎(chǔ)緊密貼合（灌漿）
e) 地腳螺栓緊固及防轉(zhuǎn)
如上所述，外露柱基的設(shè)計(jì)和施工中需要解決的問(wèn)題很多，任何一個(gè)方面出現(xiàn)問(wèn)題，都無(wú)法達(dá)到要求的性能，這一點(diǎn)必須充分認(rèn)識(shí)，尤其是市場(chǎng)上很難買(mǎi)到符合上述要求的錨固產(chǎn)品，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。
另一方面，目前已有裸露柱底座的施工方法，充分考慮上述幾點(diǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)了解其力學(xué)性能，確定應(yīng)用其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)細(xì)則，實(shí)行負(fù)責(zé)任的施工制度，確保施工質(zhì)量。
（2）外柱底座
對(duì)于外包鋼筋混凝土柱腳（見(jiàn)圖4），只要外包鋼筋混凝土設(shè)計(jì)正確，就能滿(mǎn)足柱底部剛接的設(shè)計(jì)要求。即保證外包高度相當(dāng)于柱截面高度的2.5倍。將作用在外包混凝土頂部柱截面上的剪力視為懸臂梁外包混凝土上的集中荷載。這樣設(shè)計(jì)，使鋼柱所承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到外包鋼筋混凝土上。此時(shí)，柱底部的錨栓只需能承受安裝時(shí)的內(nèi)力即可。為保證鋼筋混凝土的頂部位置和應(yīng)力從鋼柱到鋼筋混凝土的傳遞，頂部均布置鋼筋，外包混凝土四角布置的縱向鋼筋頂部均設(shè)置箍筋，并保證必要的保護(hù)層厚度（見(jiàn)圖10）。
（3）嵌入分支
預(yù)埋柱腳（見(jiàn)圖5）必須保證相當(dāng)于柱截面高度兩倍以上的預(yù)埋深度，并在預(yù)埋鋼柱周?chē)m當(dāng)布置鋼筋。通過(guò)這些措施，可以設(shè)計(jì)出具有足夠強(qiáng)度的柱腳，使柱下端能夠產(chǎn)生塑性變形。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)一個(gè)能讓鋼柱發(fā)揮其塑性變形能力的柱腳是比較容易的。但預(yù)埋柱腳必須能讓預(yù)埋在基礎(chǔ)混凝土中的鋼柱通過(guò)承壓將鋼柱反力傳遞給周?chē)炷�。保證柱的預(yù)埋深度和柱周?chē)炷恋暮穸仁窃O(shè)計(jì)的重點(diǎn)（見(jiàn)圖7）。如果預(yù)埋深度不夠或預(yù)埋部分周?chē)炷梁穸忍�，將�?huì)引起混凝土的沖切破壞，使得柱的塑性變形尚未充分發(fā)展，柱腳部分就可能遭到破壞（見(jiàn)圖11）。
柱周混凝土與柱身相互擠壓傳力，使柱板局部發(fā)生平面外變形，可在鋼柱內(nèi)基礎(chǔ)混凝土頂面稍下方加設(shè)加勁隔墻（見(jiàn)圖7）或在柱內(nèi)填滿(mǎn)混凝土。
通過(guò)合理設(shè)計(jì)預(yù)埋柱底座，在柱的荷載極限狀態(tài)下，可以形成塑性鉸，因此要求柱本身具有足夠的塑性變形能力，因此不宜采用極限狀態(tài)下可能產(chǎn)生脆性破壞的冷彎方鋼管等鋼材。