钢结构设计要点三：插入式柱脚在门式刚架厂房中的应用

摘要：通过对几种常用的刚接柱脚形式比较，以福州某一新建单层钢结构厂房采用插入式柱脚为算例，对插入式柱脚的插入深度与承压应力分别在非抗震与抗震工况下进行计算复核，可供同类型钢结构厂房结构设计参考。

关键词：插入式柱脚；高大单层厂房；插入深度；刚接柱脚

0 引言

1 刚接柱脚形式

1.1 埋入式柱脚

埋入式柱脚是将柱脚埋入埋入刚度较大的基础

混凝土中，使钢柱底部容易满足形成塑性铰要求，柱脚的嵌固性和刚度容易得到保证，且抗震性能较好，但其在施工工艺上有一定的难度，可用于对柱脚抗震及刚度要求较大的多高层钢结构建筑。

1.2 外包式柱脚

外包式柱脚是将钢柱用钢筋混凝土外包构成的柱脚，柱脚底部弯矩由外包钢筋混凝土承受，这种形式柱脚用钢量大，并且由于外包混凝土保护层厚度的限制，使柱脚与基础的嵌固不如埋入式牢固，但施工较埋入式简单。

1.3 外露式柱脚

外露式柱脚是用埋入混凝土的锚栓连接钢柱与基础，其现场安装，定位相对比较简单，较多应用于柱脚弯矩较小的单层钢结构厂房，特别是门式刚架厂房。但由于其抗震性能欠佳，不宜用于多高层钢框架结构的刚接柱脚。若柱脚弯矩较大时，采用的柱脚锚栓规格偏大，柱脚底板偏大，不易保证施工质量。

1.4 插入式柱脚

插入式柱脚是将钢柱直接插入混凝土杯口基础内，经校准后用细石混凝土浇灌至基础顶面，使钢柱与基础刚性连接。柱脚的作用是将钢柱下端的内力通过二次浇灌的细石混凝土传给基础，其作用力传递的机理与埋入式柱脚基本相同。钢柱下部的弯矩和剪力，主要是通过二次浇灌层细石混凝土对钢

柱翼缘的侧向压力所产生的弯矩来平衡，轴向力由二次浇灌层的粘结力和柱底反力承受。钢柱侧面混凝土的支承反力形成的抵抗弯矩和承压高度范围内的混凝土的拉力与钢柱的弯矩和剪力平衡。

2 计算实例

2.1 工程概况

某单层钢结构厂房位于福建省福州市长乐区，抗震设防烈度为7度，场地类别为二类，基本风压为0.80KN/m2，建筑平面尺寸为98x28m，柱距6.6m，刚架跨度为28m，建筑檐口高度为18m。插入式柱脚示意图如图1，钢柱截面为焊接H型钢，截面尺寸为H600x300x10x16，截面特性A=15280mm2，W=3238159mm3。钢材为Q235B，f=215N/mm2，fy=235N/mm2，基础杯口混凝土强度等级C30，fc=14.3N/mm2，fck=20.1N/mm2。杯口内二次浇灌的细石混凝土为C35，fc=16.7N/mm2，fck=23.4N/mm2，ft=1.57N/mm2，ftk=2.20N/mm2。根据计算软件PKPM-STS分析得最不利组合内力：N=14.5KN，M=540KN*m，V=92.5KN

图1 插入式柱脚示意图

2.2柱脚插入基础杯口深度及柱边缘混凝土承压应力验算

2.2.1 插入深度计算：

2.2.2 承压应力计算：

2.3 柱脚抗震极限承载力插入深度计算及柱边缘混凝土轴心抗压强度验算

2.3.1 插入深度计算：

2.3.2 轴心抗压强度计算：

3 杯口基础构造及注意事项

杯口基础构造要求应符合《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011的有关规定；H形实腹式钢柱，可不设柱底板，当内力较大时，可设柱底板，但底板下应设置临时调整措施；钢柱脚在插入深度范围内，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。

4 总结

沿海地区单层钢结构厂房由于自重轻，风压大，尤其是高大单层厂房，为了控制结构柱顶位移，提高刚架整体刚度，柱脚一般采用刚接柱脚。受水平荷载作用下，刚接柱脚的弯矩较大，若采用外露式刚接柱脚，则在偏心荷载作用下，柱脚锚栓承受很大的拉力，造成柱脚底板尺寸与锚栓规格都比较大，不易施工，且外露式柱脚刚接性能不好。而实腹柱插入式柱脚具有传力机理明确、柱脚构造简单、施工方便、节约钢材、安全可靠等优点，在很多单层工业厂房工程中已经推广使用，效果良好。故在柱脚弯矩比较大的门刚厂房，采用插入式柱脚不失为一种更好的选择。