鋼結(jié)構(gòu)外露式剛接柱腳的過渡版連接設(shè)計方法

楊福海 王銀春

（1、寧夏通信規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750000 2、銀川能源學(xué)院，寧夏銀川 750000）

近年來，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用越趨廣泛。鋼材的高強(qiáng)度、較好的變形性能，在工程中都得到了很好的發(fā)揮，尤其是在抗震、耗能方面鋼結(jié)構(gòu)具有很大優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計包括整體分析、構(gòu)件設(shè)計、節(jié)點設(shè)計，而節(jié)點設(shè)計中的柱腳設(shè)計非常重要，它起著將柱底力傳遞給基礎(chǔ)，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)有效的連接在一起的作用。所以如何將鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計的準(zhǔn)確、安全、合理、便于施工，顯得至關(guān)重要。鋼結(jié)構(gòu)中的剛接柱腳，按其構(gòu)造形式可分為：外露式柱腳、埋入式柱腳、外包式柱腳，其中外露式剛接柱腳常用于輕鋼結(jié)構(gòu)廠房、6～7 度抗震設(shè)防烈度且高度不超過50m 的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中[1]。本文將主要針對外露式剛接柱腳進(jìn)行討論。

目前，常用的外露式剛接柱腳的設(shè)計方法是在柱端焊接一塊底板，在柱下基礎(chǔ)澆筑完成后，將預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)的錨栓與底板進(jìn)行可靠連接。由于鋼柱吊裝就位后需要進(jìn)行標(biāo)高和垂直度調(diào)整，所以會在鋼柱底面和基礎(chǔ)頂面之間預(yù)留約50mm 的后澆區(qū)域。施工時當(dāng)鋼柱標(biāo)高和垂直度調(diào)整完成以后再進(jìn)行二次壓力注漿。本文稱此種設(shè)計方法為傳統(tǒng)設(shè)計方法。

傳統(tǒng)設(shè)計方法的存在以下不足：

①預(yù)留的50mm 后澆區(qū)域施工質(zhì)量難以保證，容易形成空鼓使鋼柱腳傳力不均勻，易形成安全隱患。

②在施工過程中預(yù)埋錨栓的位置往往偏差很大，與設(shè)計的錨栓布置有出入。

③鋼柱安裝過程中預(yù)留空間較小，不便施工。

本文針對傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的不足，提出鋼結(jié)構(gòu)外露式剛接柱腳的過渡板連接設(shè)計方法，本文稱此種設(shè)計方法為新設(shè)計方法。新設(shè)計方法是在基礎(chǔ)頂預(yù)埋一塊鋼板，過渡板與預(yù)焊錨栓按設(shè)計在工廠進(jìn)行塞焊連接，施工現(xiàn)場將過渡板與基礎(chǔ)頂預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接連接，最后將帶有開孔底板的鋼柱與錨栓進(jìn)行連接安裝。新設(shè)計方法可避免二次澆注和預(yù)埋錨栓位置偏差帶來的不利影響，使柱底剪力的傳遞更明確、更可靠，且便于施工[2]。

1 外露式剛接柱腳的過渡板連接設(shè)計方法

1.1 外露式剛接柱腳的過渡板連接設(shè)計方法介紹：詳見圖1、圖2。

圖1 外露式剛接柱腳大樣

圖2 1-1 剖面

1.2 外露式剛接柱腳的過渡板連接設(shè)計方法的計算公式

1.2.1 柱腳底板下混凝土受壓驗算(1)當(dāng)偏心距e≤L/6 時，底板下的混凝土最大受壓應(yīng)力為[3]：

1.2.2 錨筋在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下的驗算

在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下（即最終剪力由錨筋來承受），錨筋的面積按下面兩個公式計算，并取其中的較大值[4]：

1.2.3 柱腳底板與柱下端的連接焊縫驗算

柱腳底板與柱下端的連接焊縫，不考慮加勁肋等補(bǔ)強(qiáng)板件與底板連接焊縫的作用，即按無加勁肋的情況進(jìn)行驗算。沿H形截面柱周邊采用角焊縫連接時，其強(qiáng)度按下列公式驗算[5]：

式中：N、V、M 是作用在柱腳處的軸心壓力、水平剪力、彎矩；Aew是沿柱截面周邊的角焊縫的總有效截面面積；Wew是沿柱截面周邊的角焊縫的總有效截面模量；Aeww柱腹板處的角焊縫的有效截面面積；βf是正截角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計值增大系數(shù)，對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)取1.22，對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)取1.0；fwf是角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計值。

1.2.4 過渡板與基礎(chǔ)頂面預(yù)埋板的連接焊縫驗算

過渡板與基礎(chǔ)頂面預(yù)埋板的連接焊縫，采用角焊縫連接時，其強(qiáng)度按下列公式驗算：

式中：N、V、M 是作用在柱腳處的軸心壓力、水平剪力、彎矩；Aew是沿過渡板周邊的角焊縫的總有效截面面積；Wew是過渡板周邊的角焊縫的總有效截面模量；Aeww是過渡板周邊平行于水平剪力方向的角焊縫的有效截面面積；βf是正截角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計值增大系數(shù)，對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)取1.22，對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)取1.0；fwf是角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計值。

2 外露式剛接柱腳的過渡板連接設(shè)計方法計算實例

由于傳統(tǒng)設(shè)計方法在工程設(shè)計中已應(yīng)用多年，大家較熟悉，故不再贅述。在此只給出新設(shè)計方法典型工程算例，示出詳細(xì)設(shè)計驗算過程。

2.1 設(shè)計資料

某輕鋼結(jié)構(gòu)廠房H 形鋼柱柱腳，鋼柱、錨栓、預(yù)埋板、過渡板、柱腳底板鋼材均選用Q355B，截面H400×260×6×12，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級C30，內(nèi)力設(shè)計值N=300KN、V=35KN、m=202KN·m。

2.2 柱腳底板下混凝土受壓驗算

柱腳布置見圖3，底板受壓計算簡圖見圖4，在鋼柱翼緣處初步布置3 個M30 錨栓。

圖3 柱腳錨栓布置圖

圖4 底板受壓計算簡圖

2.3 錨筋在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下的驗算

在剪力V、軸向壓力N 和彎矩M 共同作用下，錨筋的布置見圖5：

圖5 基礎(chǔ)頂部預(yù)埋鋼板圖

2.4 柱腳底板與柱下端的連接焊縫驗算

柱腳底板與柱下端的連接焊縫，不考慮加勁肋等補(bǔ)強(qiáng)板件與底板連接焊縫的作用，即按無加勁肋的情況進(jìn)行驗算。沿H形截面柱周邊采用角焊縫連接，焊縫尺寸初步選定hf=10mm，焊條型號為E50，焊縫布置見圖6：

圖6 柱腳焊縫布置圖

柱腳底板與柱下端的連接焊縫計算滿足設(shè)計要求。

2.5 過渡板與基礎(chǔ)頂面預(yù)埋板的連接焊縫驗算

過渡板與基礎(chǔ)頂面預(yù)埋板的連接焊縫，采用角焊縫連接時，其強(qiáng)度按下列公式驗算。沿過渡板周邊采用角焊縫連接，焊縫尺寸初步選定為hf=10mm，焊條型號為E50，焊縫布置見圖7：

圖7 過渡板與埋板焊縫連接示意圖

過渡板與基礎(chǔ)頂面預(yù)埋板的連接焊縫計算滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

3.1 為輕鋼結(jié)構(gòu)廠房、6～7 度抗震設(shè)防烈度且高度不超過50m 的多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的外露式剛接柱腳提供了一種新的設(shè)計方法。

3.2 外露式剛接柱腳的過渡板連接設(shè)計方法可避免二次澆注和預(yù)埋錨栓位置偏差帶來的不利影響，使柱底剪力的傳遞更明確、更可靠，且便于施工。

3.3 通過工程典型實例的外露式剛接柱腳的過渡板連接方法的設(shè)計計算，給出了用新方法進(jìn)行剛接柱腳設(shè)計計算的詳細(xì)過程，可以為類似工程提供參考。