钢结构柱脚设计.docx

1、钢结构柱脚设计第八章 基础设计第一节 基础设计的特点由于结构型式、荷载取值、支座条件等方面的不 同，传至基础顶面内力是不同的，轻钢结构与传统的 砼结构相比，最大差别就是在柱脚处存在较小的竖向 力和较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯 矩，在风荷载起控制作用的情况下，还存在较大的上 拔力。柱底水平力会使基础产生倾覆和滑移，基础受 上拔力作用，在覆土较浅的情况下，会使基础向上拔 起，有关这方面的问题，后面再作详述。由于轻钢结 构的这些受力特点，导致其基础设计与其它结构存在 很大的不同，主要表现在以下几个方面： 基础形式基础型式选择应根据建筑物所在地工程地质情况 和建筑物上部结构型式综合考虑，

2、对于砼结构基础， 常见的基础型式有独立基础、条形基础、片筏基础、 箱形基础、桩基等等，而 对于轻钢结构而言，由于柱 网尺寸较大，上部结构传至柱脚的内力较小，一般以 独立基础为主，若地质条件较差，可考虑采用条形基 础，遇到暗浜等不良地质情况，可考虑采用桩基础， 一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。(b) 刚接柱脚(a) 铰接柱脚图 8-1 不同柱脚型式的受力情况 柱脚受力 砼结构柱脚均为刚接，即同时存在轴向力 N、水 平剪力 V 和弯矩 M，故基础尺寸较大，轻钢结构常见 的柱脚型式有刚接和铰接两种(图 8-1 )，其受力是不 同的，对于铰接柱脚， 只存在轴向力 N 和水平力 V，对于刚接柱脚，除

3、存在 轴向力 N和水平力 V 之外，还存在一定的弯矩 M，从 而使刚接柱脚的基础大于铰接柱脚。 基础破坏形式 要正确进行基础设计， 首先要知道基础破坏形式， 对其工作原理有所了解。对于砼结构，通常柱网尺寸较小，故柱底水平力相对 较小，基础一般不会产生滑移现象，又由于上部结构 自重很大，足以抵抗风荷载作用下产生的上拔力，故 基础也不会产生上拔的可能，对于这种结构，基础主 要发生冲切、剪切破坏；而轻钢结构则不同，基础除 发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力， 对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基 础产生倾覆和滑移破坏，另外，在风荷载较大的情况 下，特别对于一些敞开或半敞开的结构，

4、由于轻钢结 构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力， 导致基础上拔破坏。为防止这些破坏的发生，最经济 有效的方法是增加基础埋深，即增加基础上覆土的厚 度，但增加了土方开挖和回填工程量。另外对于轻钢 结构基础， 还须预埋锚栓 （也称地脚螺栓），用于上部 结构和基础的连接， 若锚栓离砼基础边缘太近，会产 生基础劈裂破坏，所以我国钢结构设计规范规定了锚 栓离砼基础边缘的距离不得小于 150mm；若锚栓长度 过短，会使锚栓从基础中拔出，导致破坏，所以规范 也规定了锚栓埋入长度 。 基础设计内容 基础设计一般包括基础底面积确定、基础高度确 定和配筋计算，还应符合有关构造措施。基础底面积 可根据地

5、基承载力确定，同时还应考虑软弱下卧层存 在；基础高度由冲切验算确定；在基础底面积和高度 确定的情况下计算基础配筋，这里须注意伸缩缝双柱 基础处理，双柱为基础提供了两个支点，在地基反力 作用下，有可能出现负弯矩， 即基础上部受拉的情况， 此时除基础底部配置钢筋外，基础上部也应配筋，避 免因上部受拉而出现开裂现象。轻钢结构基础除上述 内容以外，还须进行柱底板设计和锚栓设计，至于这 两部分设计归于上部结构还是下部结构，也存在一些 争议，柱底板尺寸是根据柱与基础连接部位砼的局部 承压来确定的，与基础砼参数有关，但其制作又与上 部结构连在一起，按照常规柱底板设计归入上部结构； 锚栓在上部结构和基础之间起

6、桥梁作用，但基础施工 时应将锚栓埋入，故属于基础部分。本章避开这个问 题，就锚栓和底板设计分别进行讨论。 与上部结构连接基础与上部结构是二次施工完成的，其间存在连 接问题。对于砼结构的基础，通过预留插筋的方式连 接上部结构(图 8-2a ), 而对于轻钢结构基础，则通过预埋锚栓的方式进行连接(图 8-2b )。(a) 砼柱基础预留插筋 (b) 钢柱基础预留锚栓图 8-2 基础与上部结构的连接 有关构造措施除上述提到的几个方面之外，轻钢结构还有一些 构造措施有别于其它结构的基础，比如基础顶面须设 置二次浇灌层；埋入式柱脚应在钢柱埋入部分设置栓 钉；埋入式柱脚钢柱翼缘保护层厚度，对于中柱不小 于

7、180mm，对于边柱和角柱的外侧不宜小于 250mm， 具体详见有关构造手册。第二节 基础设计的特殊处理措施由于轻钢结构的特殊性，使其基础设计也与一般结构不同，下面从几个方面加以讨论图 8-3 几种常见的柱脚型式 、刚接和铰接柱脚前面已提到过， 能抵抗弯矩作用的柱脚称为刚接柱脚，相反不能抵抗弯矩作用的柱脚称为铰接柱脚， 刚接与铰接的区别在于是否能传递弯矩，在实际工程 中，绝对刚接或绝对铰接都是不可能的，确切地说应 该是一种半刚接半铰接状态，为计算方便，只能根据 实际构造把柱脚看成接近刚接或铰接。刚接或铰接柱 脚关键取决于锚栓布置，铰接柱脚一般采用两个锚栓 （ 图 8-3a） ，以保证其充分转动

8、，但有时考虑锚栓质量 问题，若一个锚栓质量不保证，会对整个结构受力产 生较大影响，所以为安全起见，也可布置四个锚栓 （ 图 8-3b） ，但锚栓尽量接近，以保证柱脚转动。 刚接柱脚 一般采用四个或四个以上锚栓连接 （图 8-3c） ，图中采 用六个锚栓，可以认为柱脚不能转动 ，前面讲的几种 柱脚均为锚板式柱脚，构造简单，是工程上常用的柱 脚型式，另外还有一种柱脚型式，即 靴梁式柱脚 （图8-3d） ，这种柱脚可看成固接柱脚（属于刚接柱脚）由于柱脚有一定高度，使其刚度较好，能起到抵抗弯矩的作用，但这种柱脚制作麻烦，耗工耗材，逐渐被其它柱脚型式所代替下面再介绍工程上比较常用的固接柱脚（属于刚接柱脚

9、），即包裹式柱脚 （ 图 8-4） ，这种柱脚既节省钢材又构造简单，施工方便，而且安全可靠，在受力上 保证柱脚基本不发生转动，与计算模型很吻合，是一 种典型的固接柱脚。图 8-4 包裹式柱脚另外还有一种插入式刚接柱脚，将钢柱直接插入 混凝土内用二次浇灌层固定，这种柱脚近年来被北京 钢铁设计研究总院等单位研究成功，已在多项单层工 业厂房中应用，效果良好，并不影响安装调整。上面讨论了刚接柱脚和铰接柱脚的有关构造，计 算模型应与构造相一致，否则会造成工程事故，这一 点作为工程设计人员需特别注意。那么在何种情况下区别就是对侧移控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如有吊车荷载的情况，吊车荷载

10、是动力荷载，对侧移比较敏感，而且侧移过大会造成吊车卡轨现象，此时应把柱脚设计成刚接柱脚，但在某些特殊情况下也可设计成铰接；又如有楼层的结构，侧移过大会使人感觉不安全，左右晃动，而且还会使楼面装修材料开裂等等，这样结构柱脚应按固接设计。对工程上常见的门式刚架，柱脚通常设计成铰接；对地质情况较差地区，柱脚应考虑铰接，这样传至基础的内力仅为轴力和剪力，不存在弯矩，有利于基础设 计，可以减少基础造价。二、锚栓 锚栓是将上部结构荷载传给基础，在上部结构和 下部结构之间起桥梁作用。 锚栓主要有两个基本作用： 作为安装时临时支撑，保证钢柱定位和安装 稳定性。 将柱脚底板内力传给基础。锚栓采用 Q235或 Q

11、345钢制作，分为弯钩式和锚 板式两种。直径小于 M39的锚栓，一般为弯钩式 ( 图 8-5a) ，直径大于 M39的锚栓，一般为锚板式 (图 8-5b) 。(a) 弯钩式 (b) 锚板式图 8-5 基础锚栓对于铰接柱脚， 锚栓直径由构造确定， 一般不小 于 M20；对于刚接柱脚，锚栓直径由计算确定 , 一般 不小于 M30。锚栓长度由钢结构设计手册确定，若锚 栓埋入基础中长度不能满足要求，则考虑将其焊于受 力钢筋上。为方便柱安装和调整，柱底板上锚栓孔为锚栓直径的 1.5 倍(图 8-6a) ，或直接在底板上开缺口 ( 图 8-6b) 。底板上须设置垫板，垫板尺寸一般为100 100 ，厚度根

12、据计算确定，垫板上开孔较锚栓 直径大 12mm，待安装、校正完毕后将垫板焊于底板 上。(a) 开圆孔 (b) 开缺口图 8-6 柱脚底板开孔图 8-7 铰接柱脚锚栓布置图图 8-7 为铰接柱脚锚栓布置图，图 8-8 为刚接柱脚锚栓布置图。在图 8-7 中，从安全角度考虑，中柱两个 锚栓可换成四个，但间距不能太大，以保证铰接。图 8-8刚柱脚锚栓布置图在工程上经常会提出这样一些问题：锚栓能否抗剪？垫板是否要与底板焊牢？在施工时锚栓是否拧 紧？ 我国钢结构设计规范是不允许锚栓抗剪的，剪力 是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足 要求则须设抗剪键 （图 8-9 ）(a) (b) 图 8-9

13、抗剪键上海市轻钢规程规定，采用靴梁的刚接柱脚以及考虑 地震作用组合时的外露式柱脚的锚栓不得用于传递柱 脚底部的水平反力，此水平反力应由底板与混凝土基 础顶面间的摩擦力承受，摩擦系数可取 0.4 ，当水平 反力大于摩擦力时，应设置抗剪键，上述情况之外， 外露式柱脚的锚栓可以传递柱脚底部的水平反力，但 必须进行计算，并将垫板与底板焊牢。后者应该更合 理些，因为轻钢结构重量比较轻，摩擦系数为 0.4 时 底板和混凝土之间产生的摩擦力很小，特别是在风吸 力起控制作用时，底板与混凝土之间几乎不存在压应 力，也即摩擦力几乎没有，如果按钢结构设计规范， 在此情况下很难满足摩擦力抗剪的条件，很多结构须 设抗剪

14、键，但在实际工程中很少设抗剪键，也没有因 此发生工程事故， 可见锚栓参与了抗剪。 若锚栓抗剪， 一方面锚栓须满足强度要求，另一方面与锚栓相邻的 砼不发生局部承压破坏。有人认为锚栓应该拧紧，这 样有利于传力，这种说法是不正确的，对于目前常用 的平板式柱脚，考虑锚栓传递剪力的情况，锚栓不应 该拧得很紧，这样锚栓在垫板开孔中产生微小滑动， 使其与垫板孔壁接触，而垫板又与底板焊牢，从而起 到传递剪力的目的。但对于固接柱脚，为保证弯矩传 递须拧紧锚栓。三、特殊情况下轻钢结构基础 格构式柱基础 格构式柱的柱脚有整体式和分离式两种，整体式 一般用于受力较小、 两分肢间距较近时， 但比较耗材， 在大多数情况下

15、采用分离式柱脚；分离式柱脚两肢完 全分开，每个肢均为轴心受力。由于两种柱脚构造不 同，造成基础设计也不同。对于整体式柱脚，由于柱 脚底板是整块的，且设置一定数量加劲肋，使柱脚形 成一个整体刚度，因而作为基础的一个支点，这样基 础仅需底部配置受力筋， 而上部不需配筋（图 8-10a ）; 对于分离式柱脚， 柱肢是分开的， 但其基础很难分开， 因而为基础提供了两个支点，此时在基础上部出现负 弯矩，也即出现受拉的情况，在基础配筋时须注意， 应同时配置上、下部钢筋（图 8-10b ）。（a） 整体式柱脚基础 （b） 分离式柱脚基础 图 8-10 格构式柱基础 地坪有较高承载力时的基础处理 在实际工程中

16、，经常碰到一些改建、扩建工程， 比如在集装箱码头建造轻钢厂房，或在老建筑旁扩建 轻钢房屋但基础很难施工，等等。在进行这类工程的 基础设计时，可考虑采用喜利得（ HILTI ）锚栓，该锚 栓由瑞士喜利得公司生产，在国内工程中已得到广泛 应用，这种方法不需设计基础，只要地坪具有足够的 强度，就可直接在地坪中预埋 HILTI 锚栓。下面提供 HILTI 锚栓的有关技术数据，有关锚栓固定设计方面 的细节可向喜利得公司垂询。表 8-1 HILTI 锚栓有关技术数据HAS 螺杆尺 寸N 设计抗 拉力 （KN）V 设计抗 剪力 （KN）HVU 尺寸 （mm）孔径 do （mm）孔深 ho （mm）M810.

17、37.981080M1013.812.6101290M1219.818.31214110M1628.934.61618125M2052.454.02024170M2475.577.82428210M2792.4164.02730240M30121.3199.33035270M33142.5248.43337300M36169.4291.53640330M39194.1350.639423601、以上数据用于：混凝土强度为 C25/30。镀锌螺杆需符合 ISO898T15.8 级。要达到以上剪力， 基材厚度（h）不小于边距（C） 的 1.5 倍。2、要更大力量可增大孔深，但最大不能超过标准 2

18、倍深。3、HVU管剂主要化学成分为： Vinylurethane 树脂。4、有关锚栓安装时边距和间距和混凝土对拉力和剪力 的影响请与 HILTI 工程师联系。5、M24以上的螺杆设计剪力是依据 8.8 级钢材8-2 HVU 配件 HAS螺杆HVU药剂管HAS螺杆品名品号品名品号HVUM880256691/7HASM811066001/9HVUM1090256692/5HASM1013066002/7HVUM12110256693/3HASM1216066003/5HVUM16125256694/1HASM1619066004/3HVUM20170256695/8HASM2024066084/4

19、HVUM24210256696/6HASM2429066085/1HVUM27240256697/4HASM27340259990/0HVUM30270256698/2HASM30380259991/8HVUM33300256699/0HASM33420229728/1HVU256700/6HAS259992/6M36330M36460HVUM39360256701/4HASM39510259993/4第三节 典型柱基础细部详图通过前面讨论，我们已经对轻钢结构基础有一个 初步了解，现结合实际工程，给出几种典型柱基础详 图，以供大家参考。 柱下独立基础图 8-11 柱下独立基础 柱下条形基础图

20、8-12 柱下条形基础第四节 柱底板和锚栓设计 9一、轴心受压柱脚设计 底板面积式中： N 柱轴心压力设计值hce基础所用钢筋砼局部承压强度设计值。A0锚栓孔面积 底板厚度底板压力： q NL B A0对于底板弯矩，分以下情况进行设计： 四边支承板M 1 qa2 N mm其中： a短边长度b长边长度系数，由 b 查表 8-3 求得 aba1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.00.0480.0550.0630.0690.0750.0810.0860.0910.0950.0990.1020.125表 8-3 四边支承板 系数 三边支承、一边自由板或两邻边支承板M

21、2 qa12其中： a1 自由边长或对角线长度b1 两相邻固定边顶点到 a1的垂直距离系数，由 b1 查表 8-4 求得a1表 8-4 三边支承、一边自由或两邻边支承板 系数b1aa10.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.80.0270.0360.0440.0520.060.0680.0750.0810.0870.0920.097b1a10.850.90.951.01.11.21.31.41.51.752.00.1020.1050.1090.1120.1170.1210.1240.1260.1280.130.132当 b1 0.3时，按悬臂长为 b1 的悬臂

22、板计算 a1 一边支承、三边自由板M 3 1qC 2其中： C悬臂长度最终弯矩设计值 M max max M1,M 2,M3最佳设计方案应使 M1,M2,M3接近相等，若相差较大， 应 调整区格。若不考虑塑性发展，则： M max fWW 16t 2由于上述求出的弯矩是每延米弯矩，即： 代入上式可得底板厚度：max14mmt 6M我国钢结构设计规范中考虑底板塑性发展，故求底板厚度时采用下式计算：t 5M max 锚栓设计由于该柱脚不承担弯矩，为铰接柱脚，故锚栓按 构造设置。、偏心受压柱脚的计算这里针对实腹整体式柱脚进行设计，而对于分离 式柱脚，相当于独立的轴心受压柱脚，其计算方法同 轴压柱脚。

23、 底板面积假定底板下压应力成直线分布maxNLB1BL26hce式中： N，M柱轴心压力和弯矩设计值而产生拉应力，而该拉应力合力应由锚栓来承担，如图 8-13 所示则锚栓所需要的有效截面面积为：hceAe式中： fche 锚栓抗拉强度设计值。 求得锚栓所受的拉力或锚栓有效截面面积后，直接查 表 8-5 、表 8-6 即得所需锚栓规格。表 8-5 Q235 钢锚栓选用表锚栓直径 d( mm)202224273033363942454852有效面积2 Ae( cm )2.4483.0343.5254.5945.6066.9368.1679.75811.2113.0614.7317.58单个锚栓 承

24、载力Nta (KN)34.342.549.464.378.597.1114.3136.6156.9182.8206.2246.1锚栓直径 d( mm)56606468727680859095100有效面积2 Ae( cm )20.3023.6226.7630.5534.6038.8943.4449.4855.9162.7369.95单个锚栓 承载力 Nta (KN)284.2330.7374.6427.7484.4544.5608.2692.7782.7878.2979.3表 8-6 Q345 钢锚栓选用表锚栓直径 d( mm)202224273033363942454852有效面积2 Ae

25、( cm2)2.4483.0343.5254.5945.6066.9368.1679.75811.2113.0614.7317.58单个锚栓 承载力 aNt (KN)44.154.663.582.7100.9124.8147.0175.6201.8235.1265.1316.4锚栓直径d( mm)56606468727680859095100有效面积2Ae( cm2)20.3023.6226.7630.5534.6038.8943.4449.4855.9162.7369.95单个锚栓 承载力 Nta (KN)365.4425.2481.7549.9622.8700.0781.9890.6100

26、611291259第五节 基础设计实例、独立基础设计基础设计地基承载力标准值 fk 80KPa ，基础埋深为-1.500m，地基承载力设计值 f 1.1 80 88KPa ，基础砼采 用 C20。 N 139.3KN ，V 197.6KN 。A0 N 139.3 2.40 f G d 88 20 1.52A0 4.8，取 A 2.8 3.2 8.96m2 验算：maxmin139.32.8 3.220 1.5139.32.8 3.2197.4 1.1139.32.8 3.220 1.51 2.8 3.226197.4 1.11 2.8 3.226基础底板配筋：M I 112 a12 (2l a

27、)( j max j )121.052 (2 2.8 0.75 2 0.46)(61 61 12AsI68.21 1060.9 310 4602531.48mm配 12 150 。1 2 MII 1 (l a)2 (2b b)( jmax jmin )4812 2.8 (0.75 2 0.46)2 (2 3.2 1.1 2 0.46)(61 0)4812.09KN.m12.09 106 2AsI 96.7mm2sI 0.9 310 (460 12)按构造构造配筋。冲切验算：Fl 0.6ftUmh0故基础冲切满足、 条形基础设计基础设计地基承载力标准值 fk 80KPa ，基础埋深为192.61KN m取 b 3.8m 。验算：基础底板配筋：M1 2 12 a12 (2l a)( j max j )121.62 (2 1 0.45 2 0.41)(50.7 50.7)70.74KN.m/mAsI70.74 10 6 2618.4mm0.9 310 410配 14 200 。冲切验算：0.69Fl (192.61 20 1.5l 3.80.6ftU mh0 0.6 1.5 (10003.8) 55.67KN