浅谈埋入式钢柱脚设计.pdf

浅谈埋入式钢柱脚设计

摘要：近年来，钢结构在建筑设计中的应用越来越广泛，其诸多优点也得到
很好体现。本文就钢结构柱脚设计，以现有施工技术为基础，提出了一种新型的
埋入式双底板柱脚节点设计方案，以前参考交流。

关键词：设计；局限性；基础冲切；计算
Abstract:Inrecentyears,thesteelstructureinbuildingdesignmoreand
morewidely,itsadvantagesarewellreflected.Inthispaper,thedesignofsteel
structurecolumn,withtheexistingconstructiontechnologyasthefoundation,puts
forwardanewembeddeddoublebottomcolumnnodedesign,previously.

KeyWords:design;limitations;punchingcalculationbasis;

1、钢柱脚的设计及其局限性

目前钢结构柱脚设计通常采用埋入式柱脚和外包式柱脚两种形式。埋入
式柱脚是将钢柱埋入钢筋混凝土独立基础或基础梁或筏片式基础中的（见图1）；
外包式柱脚是将钢柱用钢筋混凝土外包构成的柱脚（见图2），钢柱的轴力和弯
矩通过焊接于钢柱的栓钉传递给混凝土，外包混凝土的高度与埋入式柱脚的埋入
深度要求相同。

图1埋入式柱脚

在建筑结构中,柱脚的作用是固定柱身并将柱中的内力传递给基础。由于
埋置深度的特殊要求，一般高层建筑都设有多层地下室。这种多层地下室柱脚基
本上弯矩、剪力较小，主要以轴力为主。如果采用常规的埋入式柱脚形式，柱脚
埋入深度需要是柱子截面高度的3倍。以柱子截面1m×1m箱型截面为例，柱
脚埋入基础深度就要3m，而且这种截面的柱子荷载一般较大，若再考虑柱子的
冲切问题，就会出现柱脚部分基础厚度很大，达到5m以上，使设计不尽合理。
而若采用外包式柱脚的形式，由于钢柱每侧混凝土外包部分的厚度不得小于200
mm，这样1m×1m的柱子在最底下一层的截面就变成1.4m×1.4m，势必影响建
筑使用功能。针对这种情况，在实际工程中设计了一种新的柱脚形式，这里称为

埋入式双底板柱脚。这种埋入式双底板柱脚是由上下两块底板与底板间设置竖向
加劲板形成整体的柱脚形式，见图3。

2、新型埋入式双底板柱脚的设计思路

埋入式双底板柱脚是由上下两块底板与底板间的竖向加劲板组成，整个
柱脚形成一个刚性节点。柱脚的竖向荷载首先传递给下部底板，然后再通过上下
底板间加劲板的竖向焊缝传递给上部底板，从而形成共同受力的一个柱脚整体，
节点刚度较好。另外由于柱脚上焊有上下两块底板，与仅一块底板的柱脚相比较，
在埋入深度一致的前提下，前者的嵌固效果要好很多。参考《混凝土设计规范
（GB50010-2010）》中受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，锚固长度
可取基本锚固长度的60%，所以与传统的埋入式柱脚相比，这种埋入式双底板柱
脚的埋置深度可以大大减小，从而达到减少基础深度的目的。

3、埋入式双底板柱脚的设计步骤

3.1双底板尺寸、上底板截面面积A及底板厚度t的确定

为了充分发挥上底板的承压作用，尽可能将下底板承受的荷载通过竖向
加劲板传导给上底板，设计中将下底板截面尺寸设计为上底板截面尺寸的1/2。
对于上底板，可假定混凝土基础对柱脚底板的反力为均匀分布，因此上底板截面
面积A可根据柱脚所受轴力荷载设计值N和混凝土基础的抗压强度设计值直接
得到，即所需上底板截面面积A为

式（1）中：B—柱脚上底板截面的宽度；L—柱脚上底板截面的高度。

设置了竖向加劲板后，柱脚底板被分成若干区格，见上图3。底板区格
有两种形式：一是三边支承的矩形板；一是三边支承的异形板。可分别确定这两
种区格板单位宽度上的弯矩，从而确定底板的厚度t。若按弹性理论算出的底板
厚度较大时，可基于极限状态的设计方法来确定底板厚度[1]。

3.2上下底板间距即柱脚高度H的确定

埋入式双底板柱脚荷载虽然主要以竖向轴力为主，但仍然存在部分的弯
矩和剪力，此弯矩和剪力基本上由与柱翼缘接触的混凝土承压进行平衡。按照柱
翼缘的混凝土承压设计（见图4），由弯矩和剪力产生的最大混凝土承压力不得
超过混凝土的抗压强度设计值值[2]，可得

式中：—柱截面的宽度；

H—柱脚高度。

3.3底板间加劲板厚度的确定

加劲板的厚度可按一端固接一端自由的梁承受底板传来的均布反力确定
其弯矩后得出。同时由于双底板间加劲板的作用是将柱子的轴向荷载由下底板承
担逐渐通过加劲板的竖向焊缝传递给上底板，从而形成上下底板共同受力，故通
过计算焊缝的有