【钢结构·技术】钢结构柱脚设计探讨
本文授权转载自公众号同圆集团设计五院
文/杨霄；编/陈玉洁
随着我国经济建设的快速发展，钢结构在工业及民用建筑房屋中的应用日益广泛。特别是近年来，随着国家的大力提倡，我国钢结构工程建设得到了空前规模的发展。
柱脚是钢结构的一个重要组成部分，具有固定位置和传力两大作用，对整个结构的安全有重大影响。然而柱脚设计关键点往往被忽略，计算内容较多、公式复杂、钢结构工程形式多样，柱脚形式多样。
中国著名钢结构建筑
本文主要从新建建筑钢柱脚形式的选用、现行新规范对柱脚的相关规定、构造及各种加层钢结构的柱脚节点做法等方面，阐述并整理柱脚设计的相关内容，为设计人员提供一定参考。
现行规范对柱脚形式选用的规定
（点击图片，查看完整表格）
不同类型钢结构工程柱脚查询表
对于高层钢结构工程而言，地下室框架柱一般均采用组合结构，如果按照《组合规》第 6.5条规定，基础底板厚度较大，柱脚设计和构造偏于严格，造成基础设计的极大浪费和不合理。结合柱脚受力机理，可主要参考《高钢规》的规定。
对于一些执行规范较严格的地区，设计人员对柱脚的设计也可采用性能化的设计方式，即采用大震下地震组合内力对柱脚进行设计，大震下地震力组合值系数可取1.0，材料的强度采用标准值。
综合以上各规范对钢结构柱脚设计的规定，对于不同类型钢结构工程可选用的柱脚见下表 。
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设防烈度 |
类型 |
柱脚形式 |
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外露式 |
外包式 |
埋入式 |
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6度、7度 |
门式刚架轻型厂房 |
✓ |
✓ |
✓ |
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单层（重型）钢结构厂房 |
○ |
✓ |
✓ |
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多层钢结构厂房 |
× |
✓ |
✓ |
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单层钢结构建筑 |
○ |
✓ |
✓ |
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多层钢结构建筑 |
× |
○ |
✓ |
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高层钢结构建筑 |
× |
○ |
✓ |
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钢与混凝土组合结构 |
× |
○ |
✓ |
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钢管混凝土组合结构 |
× |
○ |
✓ |
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8度及以上 |
门式刚架轻型厂房 |
○ |
✓ |
✓ |
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单层（重型）钢结构厂房 |
× |
✓ |
✓ |
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多层钢结构厂房 |
× |
✓ |
✓ |
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单层钢结构建筑 |
○ |
✓ |
✓ |
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多层钢结构建筑 |
× |
○ |
✓ |
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高层钢结构建筑 |
× |
○ |
✓ |
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钢与混凝土组合结构 |
× |
○ |
✓ |
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钢管混凝土组合结构 |
× |
○ |
✓ |
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(注：✓:适宜采用 ○：可以采用，但需进行性能化设计 ×：不应采用或可不采用)
新钢标对于柱脚的新规定
1. 新钢标明确规定，插入式柱脚可用于多层钢结构框架柱，正式认可了插入式柱脚在民用建筑中的应用。插入式柱脚之前主要出现在工业建筑的相关内容。
2. 关于抗震性能化设计中对于柱脚的另外一些相关规定，详《钢结构设计标准》(GB50017-2017)第17.2.12条。
3. 新钢标关于外包式柱脚参考了日本的相关规定，受力模式跟之前规范有更新，钢柱弯矩在外包柱脚顶部钢筋位置处最大，底板处约为零，弯矩通过钢柱和混凝土之间的压力传递。以往受力模式假定是，轴力由钢柱底板传递，弯矩通过栓钉传递给混凝土短柱，受力模式的变化导致对栓钉的设计要求有所不同。新钢标条文中不再写栓钉的要求，只是在图中表示栓钉为可选项，与高钢规表示“外包部分的钢柱翼缘表面宜设置栓钉”相吻合，即栓钉为构造措施。
4.新钢标提出了4种外包式柱脚典型破坏模式，围绕破坏模式提出了相应的构造措施，外包混凝土顶部的抗剪补强钢筋，通常集中配置3道构造箍筋，防止顶部混凝土被压碎和保证水平剪力的传递；外包式柱脚箍筋按100mm的间距配置，以免出现受剪斜裂缝，并应保证钢筋的锚固长度和混凝土的外包厚度；确保外包混凝土的高度。
5.新钢标对埋入式柱脚的受力模式的假定也做了修改，按钢柱侧面和混凝土之间的受压区支承反力形成的抗力来抵抗弯矩和剪力（高钢规未变），与以往计算中假定钢柱侧面的栓钉剪力来抵抗弯矩的受力模式不同。钢柱埋入部分可不设栓钉，对于有拔力的柱，宜在柱埋入混凝土部分设置栓钉。
外露式铰接柱脚
（1）铰接柱脚的构造方式有轴承式（图1-a），平板式（图1-b、c），底板加靴梁（图1-d）三种，工程中还有其他形式的铰接柱脚。
（2）柱脚底板厚度不宜小于20mm，且不应小于钢柱翼缘厚度。
（3）锚栓一般仅起到安装过程中固定的作用，因此锚栓的直径通常根据其与钢柱板件的厚度和底板厚度相协调的原则来确定，一般可在20~42mm的范围内选择，且不宜小于20 mm。
（4）为便于安装与调整，底板上的螺栓孔应比栓杆直径大0.2~0.5倍，锚栓锚固长度不应小于25d，待安装就位后，将垫板与底板焊死固定。由于底板开孔较大，应设置锚栓螺母垫板，并采用双螺母紧固。
（5）铰接柱脚不承受弯矩，锚栓设在翼缘内侧；刚接柱脚锚栓设在翼缘外侧，通常多于4个。
外露式刚接柱脚
当作用在柱脚的轴心压力和弯矩比较小时候，可采用图a~e，当轴压力和弯矩较大时，可采用图f~k，其中图k为重工业厂房箱型柱脚。
实腹式刚接柱脚主要由底板、加劲肋、靴梁、隔板、锚栓及锚栓支撑托座等组成，各板件的强度和刚度及相互间的连接应起到增加柱脚整体刚度，提高柱脚承载力和变形能力的作用，且构造应符合下列要求：
（1）柱脚底板厚度不宜小于30mm，且不应小于钢柱翼缘厚度。
（2）当采用外露式柱脚时，柱脚的极限承载力不宜小于柱截面塑形屈服承载力的 1.2倍。柱脚锚栓不宜用以承受柱底水平剪力，柱底剪力应由底板与基础间的摩擦力或设置抗剪键及其它措施承担，柱脚锚栓应可靠锚固。
（3）刚性柱脚的锚栓不仅起到安装过程固定的作用，且在柱脚弯矩下承受拉力，刚性柱脚的锚栓直径和数量应由计算确定，直径不应小于24mm。
（4）三级及以上抗震等级时，锚栓截面面积不宜小于钢柱下端截面面积的20%。
外包式柱脚
（1）外包式柱脚底板应位于基础梁或筏板的混凝土保护层内；外包混凝土的厚度，对H形截面柱不宜小于160mm，对矩形管或圆形管柱不宜小于180mm，同时不宜小于钢柱截面高度的30%；混凝土强度等级不宜低于C30；柱脚混凝土外包高度，H形柱不宜小于柱截面高度的2倍，矩形管柱或圆管柱宜为矩形管截面长边尺寸或圆管直径的2.5 倍；当没有地下室时，外包宽度和高度宜增大20%；当仅有一层地下室时，外包宽度宜增大10%。
（2）柱脚底板厚度不宜小于16mm。
（3）柱脚锚栓直径不宜小于16mm，锚固长度不宜小于其直径的20倍。锚栓直径选取应使基础最大压应力值不应超过混凝土局部承压强度设计值，锚栓底部应设锚板或弯钩。
（4）柱在外包混凝土的顶部箍筋处应设置水平加劲肋或横隔板。
（5）当框架柱为圆形管或矩形管时，应在管内浇灌混凝土，强度等级不应小于基础混凝土。浇灌高度应高于外包混凝土，不宜小于圆管直径或矩形管的长边。
（6）外包钢筋混凝土的受弯和受剪承载力验算及受拉钢筋和箍筋的构造要求应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》（2015年版）（GB50010—2010）的有关规定，主筋深入基础内的长度不应小于25倍直径，四角主筋两端应加弯钩，下弯长度不应小于15d，外包层顶部箍筋应加强加密（间距不应大于50mm），且不应小于3道直径12mm的HRB335级热轧钢筋。
（7）外包部分的钢柱翼缘表面宜按构造设置栓钉，构造参埋入式柱脚设置。
（8）外包式、埋入式柱脚，钢柱脚在与混凝土接触的范围内，不得刷油漆；柱脚安装时，应将钢柱表面的泥土、油污、铁锈和焊渣等用砂轮清刷干净。
埋入式柱脚
（1）埋深：H形截面柱的埋置深度不应小于钢柱截面高度的2倍；矩形管柱和圆管柱的埋置深度不应小于截面高度和圆管外径的2.5倍；为使柱的全塑性弯矩传递给基础，对于边柱和角柱，应适当加大柱的埋入深度。
（2）钢柱柱脚底板应布置锚栓按抗弯连接设计，锚栓埋入长度不应小于其直径的25倍，锚栓底部应设锚板或弯钩，锚板厚度宜大于1.3倍锚栓直径。应保证锚栓四周及底部的混凝土有足够厚度，避免基础冲切破坏；锚栓应按混凝土基础要求设置保护层。
（3）钢柱埋入部分四周应设置竖向钢筋和箍筋，竖向钢筋直径应符合《混凝土结构设计规范》的相关规定，箍筋直径不用小于10mm,间距不应大于250mm，且顶部应加密。边柱和角柱易产生混凝土剪切破坏，应有足够的配筋，埋入部分的顶部和底部需设置U形钢筋加强，如下图所示，U形钢筋的开口应向内侧，其锚固长度应从钢柱内侧算起，不小于30倍钢筋直径。
（4）钢柱埋入部分的侧边混凝土保护层也应有足够的厚度，如下图所示，保护层厚度C1不得小于钢柱受弯方向截面高度的1/2，且不小于250mm，C2不小于钢柱受弯方向截面高度的2/3，且不小于400mm。基础梁的梁边相交的夹角应做成钝角，坡度应≤1:4。
（5）在混凝土基础的顶部，钢柱应设置水平加劲肋。当箱形柱壁板宽厚比大于30时，应在埋入部分的顶部设置隔板；也可在箱形柱的埋入部分填充混凝土，当混凝土填充至基础顶部以上 1 倍箱形截面高度时，埋入部分的顶部可不设隔板。
（6）钢柱埋入部分可不设栓钉，对于有拔力的柱，宜在柱埋入混凝土部分设置栓钉。
加层钢结构中的柱脚设计，因下部混凝土结构情况多样，可采取不同的节点处理方案，以下为加层钢结构柱脚节点类型汇总图，后面章节详细介绍：
加层柱脚节点设计依据
轻钢加层柱脚节点的连接形式分为铰接和刚接两种，如下图所示。铰接柱脚只能承受轴向压力和水平剪力的作用，而不能抵抗弯矩作用。而刚接柱脚除受轴向压力和水平方向剪力外，还能承担上部加层结构传来的弯矩。
由于钢结构相比于钢筋混凝土结构的重量轻，采用钢结构加层可大大降低结构的竖向荷载，但对水平方向的荷载没有影响，即传递到柱脚上的水平剪力没有明显减小，《钢结构设计标准》（GB50017-2017）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB51022-2015)都明确规定：柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。因此可由底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键来承受水平剪力，抗剪键的设置如下图所示。
常用加层钢柱脚节点形式
在目前的轻钢加层工程中，当原建筑物为钢筋混凝土框架结构时，采用的柱脚刚性连接方案主要有以下几种：
（1）直接钻孔连接法：如下图所示，在原结构柱顶的合适位置钻孔并植入锚固钢筋，在柱顶铺一定厚度的细石混凝土，在过渡钢板上与植筋对应的位置钻孔，将过渡钢板与植入的锚固钢筋焊接，用结构胶固定植筋与过渡钢板，最后用螺栓将钢柱底板与过渡钢板连接。
该方法适用于原框架柱顶部钢筋分布不太密集，能够提供锚固螺栓成孔空间的结构。其优点是施工简便，缺点是由于结构胶的使用年限有限且施工质量要求高，因此对结构的耐久性和施工质量的可靠性无法保证，同时该柱脚形式的抗震性能较差。
（2）柱主筋直接连接法：如下图所示，在原框架柱的纵筋中，选择合适位置的纵筋加热调直其原锚固段，在过渡钢板的相应位置开孔塞焊，并在柱顶铺细石混凝土找平，再将钢柱底板与过渡钢板用螺栓连接以达到安装钢柱的目的。此连接方法的缺点是很多情况下很难找到满足数量要求的钢筋，并且无法保证柱脚在复杂应力作用下的受力性能，不能提高连接节点的抗震性能。
（3）U型箍连接法：如下图所示，当加层结构只有一层或加层部分的内力较小时，可采用U型螺栓连接法，即先在原柱顶铺一定厚度的混凝土，在钢柱下使用U型螺栓将钢柱与原结构混凝土梁连接，钢柱底板与U型箍之间用钻孔塞焊或螺栓连接。该柱脚连接形式施工简便，但不能提高节点的受力性能。
其它加层钢柱脚节点形式在工程中应用
由于传统的三种柱脚连接形式构造简单，不利于复杂应力状态下的荷载传递，且不能有效提高节点的抗震性能，因此，在钢筋混凝土框架结构上采用轻钢加层时，为了保证加层节点的可靠性，提高加层后结构的抗震性能，并结合实际工程，归纳整理以下几种连接节点。
（1）新增柱头外露式柱脚：该柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶部加层层数较少，新增钢柱截面尺寸及柱脚底板尺寸较小时，可采用如下节点连接方式：（此节点未表示原混凝土梁柱存在自身加固部分）；该方法适用于原框架柱顶部钢筋分布不太密集的结构。
（2）外包式刚性连接柱脚方案一：该柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶部加层改造，新增钢柱截面尺寸及柱脚底板尺寸较小且下部混凝土柱截面尺寸较大时，可采用如下节点连接方式：（此节点未表示原混凝土梁柱有自身加固部分）
(3) 外包式刚性连接柱脚方案二：该柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶部加层改造，钢柱柱脚底板尺寸较大，原混凝土柱截面尺寸较小，无法为上部钢柱外包混凝土部分提供纵筋锚固空间，可采用如下节点连接方式：
(4) 外包式刚性连接柱脚方案三：该柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶部加层改造，钢柱柱脚底板尺寸较大，原混凝土柱截面尺寸较小，无法为上部钢柱外包混凝土部分提供纵筋锚固空间，也可采用如下节点连接方式：
外包式刚性连接柱脚方案二和三，钢柱底板以上的现浇外包钢筋混凝土，增加了现浇混凝土柱头对钢柱的嵌固能力；使上部结构产生的轴力和弯矩通过钢柱和外包钢筋混凝土共同作用，有效地传递到原结构上；同时避免了加层钢柱与原混凝土柱之间的刚度突变。
外包式加层柱脚节点施工流程
以下以外包式刚性连接柱脚方案二中的节点为例，介绍一下施工流程：
（1）凿除原屋面细石混凝土层之上的柔性防水层，在梁柱节点区域内的适当位置植入钢筋，如下图所示。该部分钢筋在植入原柱体内的长度应达到锚固长度的要求，以保证新浇柱头原混凝土柱的有效连接，同时向上延伸至与新浇柱头等高的长度。
（2）在原钢筋混凝土柱四周的框架梁和楼板上植入新浇混凝土柱头的纵筋，该纵筋植入原结构中只起到临时固定的目的，不要求植筋能传递弯矩、剪力等，纵筋向上预留的长度应达到钢柱外包混凝土高度的要求。植筋完毕后，按设计要求绑扎箍筋，浇筑新增柱头的混凝土，并根据钢柱底板上锚栓空的位置埋入连接钢柱的螺栓，浇筑完成的混凝土柱头如下图所示。
（3）待柱头混凝土达到设计强度后，安装钢柱，即将钢柱底板与预先埋入混凝土柱头的螺栓连接，调节螺栓以使钢柱柱顶达到设计安装标高。最后绑扎钢柱外包混凝土的箍筋，二次浇筑混凝土，即完成整个柱脚的施工，如上图。
本文对新建建筑钢柱脚形式的选用、现行新规范对柱脚的相关规定、各类形式钢柱脚的计算 、构造及各种加层钢结构的柱脚节点做法做了相关的总结、整理，希望对设计人员的设计工作有一定帮助，不妥之处望指正。