钢柱脚形式分类
1、按支撑型式可分为：刚性柱脚、铰接柱脚。
2、按结构形式可分为：内嵌柱脚、外包柱脚、插入柱脚、外露柱脚。
1.柱脚型式及力学性能
（1）外露柱脚：柱底部焊接在刚性较大的底板上，底板用预埋在混凝土基础中的锚栓固定。这种形式自钢结构发展初期便开始使用。传统上将柱脚分为铰接式或刚性式两大类，但前者难以得到完整的铰接，或虽能传递一定的弯矩，但不能满足完全间接刚度条件，从力学角度看，将其视为半刚性连接更为合适。该类柱脚传递弯矩的原理模型如图1所示。柱脚上作用有轴力、弯矩和剪力，其中拉力和压力通过柱底板与混凝土基础接触传递，剪力则靠柱底板与基础接触面的摩擦力抵抗或通过锚栓传递。
图1 裸露柱底座传力原理
与柱根截面完全塑性弯矩相比，由锚栓屈服决定的柱底座塑性弯矩多数情况下较小，这种柱底座在弯矩作用下的受力行为主要由锚栓的性能决定，其荷载-变形关系如图2所示。若锚栓在受拉屈服后能充分发挥塑性变形，则在重复荷载作用下，外露柱底座的恢复力特性如图3所示。但在实际的柱底座工程设计中，常常会出现在锚栓截面薄弱部位屈服之前螺纹部位就已断裂，或者由于锚固不充分而有很大的可能性将锚栓拉脱的情况，这种情况下很难看到柱底座产生足够的塑性变形。
图3 重复荷载作用下裸露柱脚的恢复力
（2）外柱底座
外包钢筋混凝土柱脚在钢柱底部包裹钢筋混凝土，包裹层厚度相当于柱截面高度（最大截面尺寸）的2.5~3倍（图4）。此种形式的柱脚设计为固定柱脚，设计正确可以保证柱脚的固定程度和承载力。此种柱脚的受力行为主要由外包钢筋混凝土的受力行为决定。
图4：外包柱基
（3）预埋柱脚
预埋柱脚是将钢柱底部预埋到基础混凝土中，预埋长度约为截面高度的2倍，周边采用钢筋混凝土加固（图5）。从施工方便性来看，该类柱脚较其他型式的柱脚需要的工序较多，造成工期方面的劣势。但它可以使钢柱底部容易满足形成塑性铰的要求，结构概念十分清晰。因此，只要设计和施工正确，柱脚的恢复力特性可以呈现稳定的纺锤形关系。设计中要注意的主要问题是保证钢柱预埋部分的柱脚深度和周边混凝土的厚度。
图5 预埋柱脚
（图6）示出了柱埋置深度按1D、2D、3D（D：柱截面高度）变化时柱底座的恢复力特性。恢复力特性随柱底座埋置深度的变化而变化，但当埋置深度达到柱截面高度的2倍时，可以认为基本呈纺锤形。为考虑与周围混凝土的粘结，也有在柱埋置部分焊接栓钉的设计方法，但栓钉仅在钢柱埋置部分与周围混凝土存在较大分离时才起作用。在预期设计荷载范围内，不会出现这么大的分离，因此可以认为这方面基本没有影响。
图6 嵌入式柱脚恢复力特性
预埋柱脚周围混凝土承受作用于柱底的弯矩和剪力，产生很大的压力（见图7），因此必须保证外层厚度，防止发生剪切破坏。中柱一般没有问题，但边柱、角柱必须根据计算确定外层厚度。如果因相邻建筑物、红线等问题不能保证必要的混凝土厚度，则必须采用钢筋进行必要的加固。
2.柱脚设计与施工基本要点
为确保柱底座节点的抗震安全性，必须充分了解柱底座的力学性能，并正确进行设计和施工。
对于设计来说，首先在使用极限状态下，需要明确规定柱脚的性能。其次，在承载力极限状态下，需要考虑钢柱和柱脚的性能。也就是说，在使用极限状态下，设计为铰接连接的柱脚不应产生弯矩，但可以进行一定程度的转动。作为固定连接的柱脚为刚接，可以承受弯矩。另外，一般的外露柱脚、锚栓、柱脚底板等都会产生弹性变形。完全的刚接连接是不可能的。再者，在承载力极限状态下，柱脚部分会产生塑性铰，因此要求具有较大的塑性转动能力。柱脚的详细设计必须按照设计方针的要求进行。
因此，对于正常使用极限状态设计，正确评估柱底座的转动刚度，在结构分析中考虑柱底座刚度来获得设计内力，准确掌握作用于柱底座的内力，是基本要求。对轴力、弯曲力、剪切力进行适当的设计也是基本要求。
下面介绍各种形式的柱底座的设计要点。
（1）外露柱脚
使外露的柱脚完全铰接或完全刚性化是相当困难的。但如能满足下列条件，柱脚基本上可以设计成铰接的：柱底板具有很大的刚度，可以抑制局部变形；选择适当的锚栓长度，使锚栓螺纹部分在锚栓全长塑性变形未充分发展之前不发生断裂；锚栓在混凝土基础中的粘结部分可以防止剪切破坏。但在这种情况下，锚栓的抗拉承载力必须大于水平力引起的柱脚拉力(不考虑活载效应)和柱的抗拉屈服承载力的1/2，取较小者。最好在柱底板下面设置剪力键，以保证抵抗水平力的作用。
当外露柱脚设计为弯曲柱脚时，锚栓承受弯矩产生的拉力，柱底板与基础混凝土的接触面承受压力。在初步设计阶段，一般可以假定柱底板为刚性构件，锚栓作为受拉钢筋，以基础底板面积作为钢筋混凝土柱的截面，根据此计算结果选取锚栓截面。在这种情况下，当柱截面大到一定程度时，往往很难选取足够粗的锚栓来保证必要的承载力，因此很难设计出弯曲承载力大于柱截面弯曲承载力的柱脚。如果能采用一定程度的高强度锚栓，应该可以解决这个问题。但是，一旦采用高强度锚栓，在设计和施工中就可能出现问题，要防止被锚固部位基础混凝土发生冲切破坏和剪切破坏。 此外，柱底板与下伏基础混凝土之间压力过大的问题也会随之而来。因此，对于外露柱脚，设计承载力大多取决于柱脚承载力而非柱的承载力，此时柱脚的抗弯承载力至少要为柱本身抗弯承载力的1/2。另外，为保证塑性变形能力，柱脚各部位的设计与施工要求也必须具有与上述铰接柱脚相同的保证条件。此外，此时需要正确评估柱脚的转动刚度与恢复力特性，并在框架设计中体现出来。
综合考虑以上几点，现将外露柱底座设计相关各项内容的具体内容举例如下（参见图8、图9）。
图9 预埋柱脚传力原理
a) 柱底板
柱底板厚度的确定或适当加固，以保证底板在极限承载力状态下也能保持弹性。因此，设计的底板可以视为刚性构件，在评估柱脚刚度时可以不考虑底板变形的影响。但底板与柱之间的焊接采用全焊透焊接连接，在底板下方，焊接可以抵抗剪力作用的剪切力。
b) 锚栓
b-1.要求锚栓在极限承载力状态下在柱脚处产生塑性变形。
地脚螺栓采用Q235B、Q355B等钢材，保证屈服强度比和塑性变形能力。
锚栓的螺纹部分经过加工后，置于锚栓两端，确保在螺栓杆达到全截面屈服前，螺纹部分不敢拉脱。螺栓杆的长度大于其直径的25倍。螺栓杆涂有防锈涂层或包裹。采用双螺母固定螺栓底板，防止转动。在埋入基础混凝土中的端部设置锚栓，防止锚栓拉脱。
b-2. 当柱在极限承载力状态下要求其底部产生塑性变形时
对锚杆材料的强度、屈服强度比、塑性变形能力等没有限制，但应选择锚杆的截面积钢结构工程外包，使极限状态下柱内弯矩和拉力在锚丝中引起的应力低于锚杆的屈服强度。
地脚螺栓两端设置必要长度的螺纹部分，地脚螺栓杆的长度应设置成不使基础混凝土从地脚螺栓固定点剪断，固定柱底板时采用双螺母防止转动，埋入基础混凝土的端部应设置锚栓，防止地脚螺栓被拉出。
c 基础混凝土
基础混凝土短柱部分在承受柱底板压力时，不应使共同部分发生破坏，因此尺寸应相对柱底板有足够放大，锚栓外侧应设置附加钢筋，在极限荷载状态下，应保证必要的深度和宽度，防止从锚栓固定点开始发生混凝土冲切、剪切破坏。
d. 基础灌浆
混凝土基础顶面与柱底板之间应留有足够的间隙，以灌注砂浆，砂浆应采用高强度无收缩砂浆。
a) 确保预埋在基础混凝土中的地脚螺栓的平面位置和伸出长度
b) 地脚螺栓防锈处理
c) 锚栓的粘接
d) 柱底板与混凝土基础连接紧密（灌浆）
e) 地脚螺栓紧固及防转
如上所述，外露柱基的设计和施工中需要解决的问题很多钢结构工程外包，任何一个方面出现问题，都无法达到要求的性能，这一点必须充分认识，尤其是市场上很难买到符合上述要求的锚固产品，这是一个很大的问题。
另一方面，目前已有裸露柱底座的施工方法，充分考虑上述几点，通过结构试验了解其力学性能，确定应用其他国家的标准化设计细则，实行负责任的施工制度，确保施工质量。
（2）外柱底座
对于外包钢筋混凝土柱脚（见图4），只要外包钢筋混凝土设计正确，就能满足柱底部刚性连接的设计要求。即保证外包高度相当于柱截面高度的2.5倍。将作用在外包混凝土顶部柱截面上的剪力视为悬臂梁外包混凝土上的集中荷载。这样设计是为了将钢柱所承受的应力转移到外包钢筋混凝土上。此时，柱底部的锚栓只需能承受安装时的内力即可。为保证钢筋混凝土的顶部位置和应力从钢柱到钢筋混凝土的传递，在顶部布置钢筋，外包混凝土四角布置的纵向钢筋在顶部加设箍筋，并保证必要的保护层厚度（见图10）。
（3）嵌入分支
预埋柱脚（见图5）必须保证相当于柱截面高度两倍以上的预埋深度，并在预埋钢柱周围适当布置钢筋。通过这些措施，可以设计出具有足够强度的柱脚，使柱下端能够产生塑性变形。也就是说，设计一个能让钢柱发挥其塑性变形能力的柱脚是比较容易的。但预埋柱脚必须能让预埋在基础混凝土中的钢柱通过承压将钢柱反力传递给周围混凝土。保证柱的预埋深度和柱周围混凝土的厚度是设计的重点（见图7）。如果预埋深度不够或预埋部分周围混凝土厚度太小，将会引起混凝土的冲切破坏，使得柱的塑性变形尚未充分发展，柱脚部分就可能遭到破坏（见图11）。
柱周混凝土与柱身相互挤压传力，使柱板局部发生平面外变形，可在钢柱内基础混凝土顶面稍下方加设加劲隔墙（见图7）或在柱内填满混凝土。
通过合理设计预埋柱底座，在柱的极限承载状态下，可以形成塑性铰，因此要求柱本身具备足够的塑性变形能力，因此不宜采用极限下可能产生脆性破坏的冷弯方钢管等钢材。
