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钢构造策画程序》解释专题(8)——柱脚策画

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  柱脚是钢结构节点中极其重要的一部分,在《钢结构设计标准》(GB 50017-2017,简称“钢标”)中,随节点单独成第12章,柱脚设计的规定独立为12.7一节。本文专门谈谈钢标柱脚设计的规定,主要围绕两点作一些解释:1)新增内容;2)改动较大的内容。

  关于柱脚设计,原钢规的规定很少几条,还是放在构件的构造要求一节中。原来做设计,只能看一些散落在各个规范和手册中的内容,如《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-2015)(简称“高钢规”)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)(简称“抗规”)、《构筑物抗震设计规范》(GB 50191-2012)(简称“构抗规”)、《钢结构节点设计手册》(第三版,建筑工业出版社,简称“节点手册”,内容尚未按钢标升版)、《钢结构设计手册》(建筑工业出版社,简称“钢构手册”,第四版中已根据钢标规定更新)。但你会发现,规定还不统一。钢标这次的柱脚设计规定,等于做了一次系统梳理。

  钢标关于柱脚的规定,总体上并列地给出了四种形式:外露式、外包式、埋入式、插入式柱脚。其余三种柱脚没啥好说,而插入式柱脚的内容,以前主要出现在工业建筑的相关规范中。钢标明确规定,插入式柱脚可用于多层钢结构框架柱,等于正式认可了插入式柱脚在民用建筑中的应用。虽然钢标12.7.1的条文说明表示适用范围与高钢规协调了,实际上关于插入式柱脚在民用建筑中作为并列的柱脚形式还是第一次隆重登场。

  【条文】12.7.1 多高层结构框架柱的柱脚可采用埋入式柱脚、插入式柱脚及外包式柱脚,多层结构框架柱尚可采用外露式柱脚,单层厂房刚接柱脚可采用插入式柱脚、外露式柱脚,铰接柱脚宜采用外露式柱脚。

  【条文说明】12.7.1 刚接柱脚按柱脚位置分为外露式、外包式、埋入式和插入式四种。四种柱脚的适用范围主要与现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99的有关规定相协调,同时参考了国内相关试验研究以及多年来的工程实践总结。

  外露式柱脚似乎没啥好说的了,因为太常见了,哪个规范都有规定。钢标主要规定了锚栓不宜受剪、柱脚计算和锚栓锚固长度的原则性要求。

  锚栓不宜受剪,与钢规要求相同。非得考虑受剪,则需要满足一定的构造要求并进行计算,这在有些规范中已有规定,如门规。

  锚栓构造要求在混凝土基础中的锚固长度不宜小于直径的20倍。当锚栓直径大于40mm时,锚栓端部宜焊锚板,其锚固长度不宜小于直径的12倍。

  同时注意,在第17章关于抗震性能化设计,对于柱脚(包括外露式柱脚)另外有一些要求:

  1 支撑系统的立柱柱脚的极限承载力,不宜小于与其相连斜撑的1.2倍屈服拉力产生的剪力和组合拉力。

  3 对于框架结构或框架承担总水平地震剪力50%以上的双重抗侧力结构中框架部分的框架柱柱脚,采用外露式柱脚时,锚栓宜符合下列规定:

  1)实腹柱刚接柱脚,按锚栓毛截面屈服计算的受弯承载力不宜小于钢柱全截面塑性受弯承载力的50%;

  2)格构柱分离式柱脚,受拉肢的锚栓毛截面受拉承载力标准值不宜小于钢柱分肢受拉承载力标准值的50%;

  3)实腹柱铰接柱脚,锚栓毛截面受拉承载力标准值不宜小于钢柱最薄弱截面受拉承载力标准值的50%。

  【条文】17.3.16 实腹式柱脚采用外包式、埋入式及插入式柱脚的埋入深度应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011或《构筑物抗震设计规范》GB 50191的有关规定。

  对于“实腹柱刚接柱脚按锚栓毛截面屈服计算的受弯承载力不宜小于钢柱全截面塑性受弯承载力的50%”,钢标17.2.9条塑性耗能区的连接计算,要求柱脚满足极限承载力条件,明显比这个50%高了不是一点半点(真算过的人知道这要求经常要搞死人)。那么,只能理解为:延性设计时(延性等级I~IV),外露式柱脚满足17.2.9条,那么自然满足上述构造要求;非延性设计(延性等级V),外露式柱脚作为非塑性耗能区处理,不需要满足17.2.9条,但还得满足这个最低锚栓截面要求。

  另外,“实腹柱铰接柱脚,锚栓毛截面受拉承载力标准值不宜小于钢柱最薄弱截面受拉承载力标准值的50%”,第一,默认钢框架柱脚可以做成铰接的;第二,这50%可也是要人命的,等于说锚栓毛截面面积不小于钢柱的50%。

  钢标的外包式柱脚,和高钢规一样参考了日本的相关规定,从受力模式上就与以往的规定发生了本质变化,如图20所示:钢柱弯矩在外包柱脚顶部钢筋位置处最大,底板处约为零,承载机构如图21所示,等于是铰接钢柱与钢筋混凝土短柱的组合,即假定外包柱脚顶部开始从钢柱向混凝土传递内力,短柱范围的弯矩完全由钢筋混凝土短柱承担,按悬臂柱设计。弯矩通过钢柱和混凝土之间的压力传递。

  同时钢标要求柱脚底板尺寸和厚度按结构安装阶段荷载作用下轴心力、底板的支承条件计算确定。而高钢规则表示轴压力由钢柱底板传递至基础,按底板面积计算局部承压。

  作为对比,如节点手册中,以往的外包式柱脚受力模式假定是,轴力由钢柱底板传递,弯矩通过栓钉传递给混凝土短柱。

  受力模式的变化直接导致对于栓钉的设计要求不同。以往的设计,外包式柱脚栓钉是必选,且要计算。受力模式假定变化后,钢标的条文中都没有再写栓钉的要求,只是在图中表示栓钉为“可选”,与高钢规表示“外包部分的钢柱翼缘表面宜设置栓钉”大致相当,即便采用栓钉,也只是构造措施了。

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  钢标没有给出这一受力模式下外包式柱脚的详细计算公式,包括受弯、受剪承载力、极限受弯、受剪承载力,可以参见高钢规。

  另外,钢标表示,外包式柱脚典型的破坏模式如图22,包括钢柱的压力导致顶部混凝土压坏(1);外包混凝土剪力引起的斜裂缝(2);主筋在外包混凝土锚固区破坏(3);主筋弯曲屈服(4)。

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  因此,外包式柱脚的构造围绕上述破坏模式,要求: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传递;外包式柱脚箍筋按100mm的间距配置,以避免出现受剪斜裂缝,并应保证钢筋的锚固长度和混凝土的外包厚度;确保外包混凝土高度。这儿需要注意,外包高度与高钢规统一要求2.5倍截面高度的要求略有不同。

  【条文】12.7.7 ……外包式柱脚混凝土外包高度,H形截面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%。四、关于埋入式柱脚钢标埋入式柱脚的受力模式也和高钢规一样,参考了日本的相关规定,对受力模式的假定作了修改,即按钢柱侧面与混凝土之间的受压区支承反力形成的抗力来抵抗弯距和剪力(高钢规还规定轴压力由钢柱底板传递至基础,与外包式一致)。与以往计算中(如节点手册等)假定钢柱侧面的栓钉剪力来抵抗弯矩的受力模式不同。

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  因此,钢标表示,栓钉对于传递弯矩和剪力没有支配作用,但对于抗拉,由于栓钉受剪,能传递内力,所以只是对于有拔力的柱规定了宜设栓钉的要求。但既然是“宜”,如果粘结力能算够,你也可以不设栓钉。

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  可是上述公式的物理意义似乎并不明确,让人百思不得其解(哪位高人能明白的私下告知一声)。另外单纯从公式的表达来看也不合理,根号外的1/2非常累赘,完全可以与根号内的2和4归并处理,公式可以更为简洁(难不成把推导的中间过程匆匆忙忙写进了规范?)。从物理意义来说,难道不是应该用下面这个公式吗?(

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  另外注意,钢标12.7.9条规定埋入深度还得满足插入式柱脚表12.7.10的要求(高钢规并没有这个要求)。显然,钢标对于埋入式柱脚的规定,更多是与插入式协调靠拢了(其实它们从构造来说就是类似的,可是以往规范对于埋入式和插入式的设计规定差异巨大,钢标在插入式柱脚的条文说明中明确表示其作用力的传递机理与埋入式柱脚基本相同),而不是像以往规范中习惯性将埋入式柱脚与外包式柱脚搞一起,构造要求类似。

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  关于埋入式柱脚受弯受剪极限承载力的具体计算,可以参见高钢规。同时还对于在基础顶面处钢柱可能出现塑性铰的边柱、角柱的柱脚埋入混凝土基础部分的上、下部位,给出了布置U形钢筋加强的计算公式。

  五、关于插入式柱脚插入式柱脚在钢规中虽然提及,但表示仅有工业应用经验。而钢标中明确表示其已在单层工业厂房和多高层房屋工程得到使用,效果很好,作用力传递机理与埋入式柱脚基本相同,并给出了计算方法(其中实腹柱计算按埋入式柱脚的规定):【条文】12.7.10 插入式柱脚插入混凝土基础杯口的深度应符合表12.7.10的规定,实腹截面柱柱脚应根据本标准第12.7.9条的规定计算,双肢格构柱柱脚应根据下列公式计算:

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  实际上这就是一个钢柱和混凝土在轴力下的粘结计算公式,但以往规范中一般都未给出,只有构抗规

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