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作者：石江涛，高级工程师，一级注册结构工程师，注册土木工程师( 岩土) 0 引言 随着我国经济的发展与工业水平的提高，钢结构在工业与民用建筑中应用越来越广泛。钢材具有较高的强度和良好的变形能力，经过合理设计的钢结构建筑具有优良的抗震、耗能性能。钢结构建筑应根据建筑的类别、功能、高度等选择合理钢结构体系，并对结构构件及节点连接进行精心设计。在进行节点设计时，柱脚的设计是非常重要的，它是关系的到整个结构抗震性能的关键节点。柱脚的形式一般分三种:埋入式、外包式和外露式。外露式刚接柱脚适用于 6，7 度抗震设防地区且房屋高度不超过 50m 的钢结构。本文主要针对外露式刚接柱脚进行讨论。 1 外露式刚接柱脚传统设计方法 多年来，外露式刚接柱脚设计采用的方法是《钢结构连接节点设计手册》的算法，本文称之为传统设计方法，此方法按照柱底荷载偏心距的不同区分为三种情况进行计算，方法如下。 图 1 底板下的混凝土受压应力分布图 ( 1) 当偏心距 e ≤ L /6 时( 图 1( a) ) ，底板下的混凝土最大受压应力: 2 外露式刚接柱脚设计新方法 近些年来，有的协会规程《 高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程 CECS 230:2008 》及行业规程《高层民用建筑钢结构技术规程: JGJ 99—2015》提出外露式刚接柱脚设计的一种新方法: 按照钢筋混凝土压弯构件截面的设计方法计算柱脚承载力。具体计算要求如下。 ( 1) 钢柱轴力由底板直接传至混凝土基础，按现行国家标 准《混 凝 土 结 构 设 计 规 范》( GB 50010—2010)验算柱脚底板下混凝土的局部承压，承压面积为底板面积。 ( 2) 在轴力和弯矩作用下计算所需锚栓面积，应按下式验算: M ≤ M1( 1) 式中: M 为柱脚弯矩设计值，kN·m; M1为在轴力和弯矩作用下按钢筋混凝土压弯构件截面的设计方法计算的柱脚受弯承载力，kN·m。 设截面为底板面积，由受拉边的锚栓单独承受拉力，混凝土基础单独承受压力，受压边的锚栓不参加工作，锚栓和混凝土的强度均取设计值。 ( 3) 抗震设计时，在柱与柱脚连接处，柱可能出现塑性铰的柱脚极限承载力应大于钢柱的全塑性抗弯承载力，应按下式计算: ( 4) 钢柱底部的剪力可由底板与混凝土之间的摩擦力传递，摩擦系数取 0.4; 当剪力大于底板下的摩擦力时，应设置抗剪键，有抗剪键承受全部剪力; 也可由锚栓抵抗全部剪力，具体做法详见有关规程。 此算法按照钢筋混凝土压弯构件截面的设计方法计算柱脚受弯承载力，基础受力后仍然保持平截面假定，锚栓按照弹性应力应变的本构模型计算，混凝土受压按照非线性的应力应变关系计算，此算法是一种考虑混凝土非线性的算法，理论上更合理，与柱脚的实际受力也更符合。 3 设计新方法计算实例 考虑到传统设计方法在外露式刚接柱脚的设计中已经应用多年，大家都比较熟悉，不再赘述。规程设计方法出现较晚，较新颖，在此给出典型算例，对其设计计算过程详细说明。 3. 1 设计条件 某 H 型 钢 框 架 柱 柱 脚，钢 柱 钢 材 Q345B，截 面HW300 ×300 × 10 × 15，混凝土强度等级 C30，锚栓钢材Q345B，内力设计值 N =1000kN，绕强轴 M =250kN·m。 3. 2 按弹性计算 初步确定锚栓每侧翼缘设 3 个，底板及锚栓具体布置见图 2。 偏心距 e0= M /N = 250 /1000 = 0. 25m = 250mm
4 结论 ( 1) 外露式刚接柱脚传统设计方法按照锚栓与混凝土均为线弹性材料，假定基础受力后保持平截面假定的方法计算，是一种弹性算法。 ( 2) 规程设计方法按照锚栓为线弹性材料，混凝土为非线性材料，考虑其塑性，此算法是一种考虑混凝土受压时非线性的算法，理论上更合理。 ( 3) 通过典型算例在弹性设计和地震作用时极限承载力的设计，展示了用新设计方法进行刚接柱脚计算的详细过程，为类似工程提供参考。 |
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