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钢结构柱脚
随着我国经济建设的快速发展，钢结构在工业与民用建筑中的应用越来越广泛，特别是近年来，在国家的大力推动下，我国钢结构工程建设取得了前所未有的发展。
柱脚是钢结构的重要组成部分，具有固定位置和传递力两大作用，对整个结构的安全有重大影响，但柱脚设计要点往往被人们忽视，计算内容较多，公式复杂，钢结构...工程形式多样，柱脚形式也多种多样。
中国著名钢结构建筑
本文主要从新建建筑钢柱脚形式的选择、现行新规范关于柱脚的相关规定、各类增层钢结构的构造及柱脚节点方法等方面对柱脚设计的相关内容进行讲解和整理，以提供一些参考。
柱脚形式选择
现行柱脚形式选择规定
（点击图片查看完整表格）
不同类型钢结构工程柱脚查询表
对于高层钢结构工程，地下室框架柱一般采用组合结构钢结构屋面坡度，若基础底板厚度较大，且柱脚设计施工按《组合规程》第6.5条要求严格，会造成基础设计的极大浪费。结合柱脚受力机理，可主要参考《高钢规范》的规定。
对于一些执行标准更为严格的地区，设计人员还可以对柱底座采用性能化设计的方法，即采用大震下的组合地震内力来设计柱底座，大震下的组合地震力系数可取1.0，材料强度采用标准值。
根据以上关于钢结构柱脚设计的规范，不同类型的钢结构工程可选用的柱脚如下表所示。
设计强度
类型
柱脚形式
裸露
外包
嵌入式
6度，7度
门式框架轻型厂房
✓
✓
✓
单层（重型）钢结构厂房
○
✓
✓
多层钢结构厂房
×
✓
✓
单层钢结构建筑
○
✓
✓
多层钢结构建筑
×
○
✓
高层钢结构建筑
×
○
✓
钢与混凝土组合结构
×
○
✓
钢管混凝土组合结构
×
○
✓
8度及以上
门式框架轻型厂房
○
✓
✓
单层（重型）钢结构厂房
×
✓
✓
多层钢结构厂房
×
✓
✓
单层钢结构建筑
○
✓
✓
多层钢结构建筑
×
○
✓
高层钢结构建筑
×
○
✓
钢与混凝土组合结构
×
○
✓
钢管混凝土组合结构
×
○
✓
（注：✓：适合使用○：可以使用，但需进行性能化设计×：不应使用或不可使用）
新钢结构标准对柱脚有新规定
1、新钢标准明确规定多层钢结构框架柱可采用插入式柱脚，正式承认了插入式柱脚在民用建筑中的应用。此前，插入式柱脚主要出现在工业建筑的相关内容中。
2.基于抗震性能化设计中柱脚其他相关规定请参见《钢结构设计标准》（GB50017-2017）第17.2.12条。
3、新钢标准参考了日本对外包柱脚的相关规定，受力模式较前规范有所更新，钢柱在外包柱脚顶部弯矩最大，在底板处近似为零，主要考虑柱与混凝土之间的压力传递。以前的荷载模式假设轴力由钢柱底板传递，弯矩通过栓钉传递到混凝土短柱。荷载模式的改变导致对栓钉的设计要求不同。新钢标准中不再有栓钉的要求，只是在图中标明栓钉为可选项，与高等级钢标准中“栓钉应设置在外侧钢柱翼缘面上”的规定相一致，即栓钉为结构措施。
4、新钢标准提出了外包柱脚的四种典型破坏模式，并根据破坏模式提出了相应的构造措施，外包混凝土顶部的抗剪钢筋通常采用3根结构箍筋集中布置，防止顶部混凝土被压溃，保证水平剪力的传递；外包柱脚箍筋间距为100mm设置，避免产生剪切斜裂缝，并应保证钢筋的锚固长度和混凝土外部厚度；保证外部混凝土的高度。
5、新钢标准还对预埋柱底座的受力模式假设做了修改，利用钢柱边与混凝土之间受压区的支座反力形成的抗力来抵抗弯矩和剪力（高钢标准中未考虑）。螺栓与以前的计算模式不同，以前假设钢柱边螺栓的剪力来抵抗弯矩，钢柱预埋部分不需要设栓钉，对于有拉拔力的柱，建议在柱预埋于混凝土的部位设螺栓，并设置插销。
柱基结构
外露铰链柱底座
（1）铰接柱脚结构型式有三种：轴承式（图1-a）、平板式（图1-b、c）、底板加靴梁式（图1-d），工程上还有其他结构型式。铰接柱脚。
（2）柱底板厚度不宜小于20mm，且不宜小于钢柱翼缘厚度。
（3）锚栓一般只在安装时起到固定结构的作用，因此锚栓的直径通常根据钢柱板厚度及底板厚度来确定，一般直径可在20~42mm范围内选取，且不宜小于20mm。
（4）为便于安装调整，底板上的螺栓孔应大于螺栓杆直径的0.2~0.5倍，锚栓锚固长度不应小于25d。安装后应将垫块与底板焊接固定。若底板开孔较大，应加装锚固螺母垫块，并用双螺母紧固。
（5）铰接柱脚不承受弯矩钢结构屋面坡度，地脚螺栓均位于翼缘内侧；刚性柱脚地脚螺栓均位于翼缘外侧，通常大于4个。
外露刚性柱底座
当作用在柱脚上的轴压力和弯矩较小时，可采用图a至e；当轴压力和弯矩较大时，可采用图f至k，其中图k为重型工业厂房的箱型柱脚。
实腹刚接柱底座主要由底座板、加劲肋、靴梁、隔板、锚栓及锚栓支撑架等组成，各板的强度、刚度及相互间的连接应起到增加柱底座整体强度、刚度的作用，提高柱底座的承载能力和变形能力，构造应满足下列要求：
（1）柱底板厚度不宜小于30mm，且不宜小于钢柱翼缘厚度。
（2）当采用外露柱脚时，柱脚极限承载力不宜小于柱截面塑性屈服承载力的1.2倍，柱脚锚固螺栓不宜用来承受柱脚处的水平剪力，柱脚剪力应采用承受底板与基础间的摩擦力或设置剪力键等措施，柱脚锚固螺栓应锚固牢固。
（3）刚性柱脚的锚栓不仅在安装过程中起固定作用，而且还要在柱脚弯矩作用下承受拉力。刚性柱脚的锚栓直径及数量应经计算确定，其直径不宜小于24mm。
（4）对于抗震水平为三级及以上建筑，锚栓的截面面积不应小于钢柱下端截面面积的20%。
外柱底座
（1）外柱基础板宜位于基础梁或筏板混凝土保护层以内，外柱混凝土厚度，对于H型柱不宜小于160mm，对于矩形、圆管柱不宜小于180mm。外柱混凝土厚度不得小于型钢柱截面高度的30%；混凝土强度等级不宜低于C30；柱脚混凝土保护层高度，对于H型柱不宜小于柱截面高度的2倍，对于矩形、圆形柱不宜小于矩形管截面长边的2.5倍。当无地下室时，外宽、高宜增加20%；当只有一层地下室时，外宽宜增加10%。
（2）柱底板厚度不宜小于16mm。
（3）柱脚锚栓直径不应小于16mm，锚固长度不应小于其直径的20倍，锚栓直径的选取应使基础最大压应力值不超过混凝土局部承载强度的设计值，锚栓底部应设置锚栓板或挂钩。
(4) 混凝土柱的顶部箍筋处应设置水平加劲肋或横隔板。
（5）当框架柱为圆管或矩形管时，应在管内浇注混凝土，其强度等级不宜小于基础混凝土强度等级，浇注高度应高于外侧混凝土，且不宜小于圆管直径或矩形管长边。
（6）外层钢筋混凝土的抗弯、抗剪承载力验算及受拉钢筋、箍筋的构造要求，应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》（2015年版）（GB50010-2010）的有关规定。基础长度不宜小于25倍直径，主筋四角处两端应加弯头，向下弯头长度不宜小于15d。外层顶部箍筋应加固（间距不宜大于50mm），不应少于3根直径12mm的HRB335级热轧钢筋。
（7）外部钢柱翼缘面应按结构设置栓塞，并按预埋柱底座结构设置。
（8）对于外购和预埋的柱底座，钢柱底座与混凝土接触范围内不得涂漆；安装柱底座时，应用砂轮将钢柱表面的污垢、油污、铁锈、焊渣等清除干净，并用刷子刷干净。
预埋柱脚
（1）埋置深度：H型钢柱埋置深度不应小于钢柱截面高度的2倍；矩形、圆形柱埋置深度不应小于截面高度与圆管外径的2.5倍；为将柱的全部塑性弯矩传递给基础，边柱、角柱的埋置深度应适当增加。
（2）钢柱底板上应按弯曲连接设计布置锚栓，锚栓的埋置长度不宜小于其直径的25倍，锚栓底部应设锚板或挂钩，锚板厚度应大于1.3倍锚栓直径。锚栓周围及底部混凝土应有足够的厚度，避免基础受到剪切破坏；锚栓应根据混凝土基础的要求设保护层。
（3）钢柱预埋件四周应布置竖向钢筋和箍筋，竖向钢筋的直径应符合《混凝土结构设计规范》的有关规定，箍筋直径不宜小于10mm，间距不宜大于250mm，顶部应设箍筋，边柱、角柱易发生混凝土剪切破坏，应有足够的配筋。预埋件顶部和底部应设U型钢筋加固，如下图所示，U型钢筋的开口应朝内，其锚固长度应从钢柱内部测量，不应小于钢筋直径的30倍。
（4）钢柱预埋件侧面混凝土保护层也应有足够的厚度。如下图所示，保护层厚度C1不应小于钢柱弯曲方向截面高度的1/2，且不应小于250mm。C2不应小于钢柱弯曲方向截面高度的2/3，且不应小于400mm。基础梁与梁边的夹角应设为钝角，且坡度应≤1：4。
（5）混凝土基础顶部应设置水平加劲肋。当箱形柱壁宽厚比大于30时，预埋件顶部应设置隔墙；浇注混凝土。当混凝土浇注至基础顶部以上1倍箱形截面高度时，预埋件顶部无需设置隔墙。
（6）钢柱预埋部分不需要设螺栓，对于有拉拔力作用的柱，应在柱预埋于混凝土部分设置螺栓。
轻钢柱脚设计
加层钢结构柱脚设计，因下部混凝土结构情况不同，可采用不同的节点处理方案。以下为加层钢结构柱脚节点类型汇总图，将在后续章节中详细介绍：
增层柱脚节点设计依据
轻钢柱脚节点连接形式分为铰接和刚接两种，如下图所示。铰接柱脚只能承受轴向压力和水平剪力，不能抵抗弯矩。柱脚除承受轴向压力和水平剪力外，还要承受上部楼面结构传来的弯矩。
由于钢结构比钢筋混凝土结构轻，在钢结构上增加层数可以大大减轻结构的竖向荷载，但对水平荷载没有影响，即传递到柱底座的水平剪力没有明显减小。《钢结构设计标准》（GB50017-2017）和《门式刚架轻型钢结构技术规范》（GB51022-2015）均明确规定，柱底座底部不宜采用柱脚锚栓承受水平剪力。因此，水平剪力可由底座板与混凝土基础间的摩擦力或设置剪力键来承受。剪力键的设置如下图所示。
加层钢柱脚常用节点形式
在现行轻钢加层工程中，当原有建筑为钢筋混凝土框架结构时，所采用的柱脚刚接方案主要有以下几种：
（1）直接钻孔连接法：如下图所示，在原结构柱顶适当位置钻孔并植入锚固钢筋，在柱顶铺放一定厚度细石混凝土，在过渡钢板上与植入钢筋对应的位置钻孔，将过渡钢板与植入的锚固钢筋焊接在一起，用结构胶将植入钢筋与过渡钢板固定，最后用螺栓将钢柱底板与过渡钢板连接起来。
此种方式适用于原框架柱顶端钢筋分布不太密集，且能提供锚栓孔空间的结构，其优点是施工简单，但其缺点是结构胶的使用寿命有限，施工质量要求高，对结构的耐久性影响很大，施工性能和施工质量的可靠性得不到保证，这种柱底座形式的抗震性能较差。
（2）柱主筋直接连接法：如下图所示，在原框架柱中选取适当位置的纵向钢筋，加热并调直其原锚固段，在过渡钢板相应位置开孔进行塞焊，并在上方铺细石混凝土找平，再将钢柱底板用螺栓与过渡钢板连接，达到安装钢柱的目的。这种连接方法的缺点是很多时候很难找到满足数量要求的钢筋，无法保证柱脚在复杂受力下的受力性能，无法提高连接节点的抗震性能。
（3）U型箍筋连接法：如下图所示，当增层结构只有一层或增层部分内力较小时，可采用U型螺栓连接方法，即先在原柱顶铺砌一定厚度的混凝土，然后在钢柱下方采用U型螺栓将钢柱与原结构混凝土梁连接起来，钢柱底板与U型箍筋采用钻孔塞焊或螺栓连接。这种柱脚连接形式施工简单，但不能提高节点的受力性能。
增层钢柱脚其他型式节点在工程中的应用
由于三种传统的柱脚连接形式构造简单，不利于复杂受力状态下的荷载传递，不能有效提高节点的抗震性能，因此，在钢筋混凝土框架结构上采用轻钢进行增层时，为保证增层效果，提高节点的可靠性及增层后结构的抗震性能，并结合实际工程，总结了以下几种连接节点类型。
（1）露柱头新增柱脚：此柱脚节点适用于既有建筑顶层数较少的混凝土结构，当新增钢柱截面尺寸及柱脚底板尺寸较小时，可采用下述节点连接方式：（此节点不表明原混凝土梁柱自带配筋部分）；此方式适用于原框架柱顶部钢筋分布不密集的结构。
（2）外包刚接柱脚方案一：此柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶层改造，当新增钢柱及柱脚底板截面尺寸较小，而下部混凝土柱截面尺寸较大时，可采用下述节点连接方式：（此节点不注明原混凝土梁柱自身有配筋部分）
（3）外购刚接柱脚方案二：此柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶层改造，钢柱脚底板较大，原混凝土柱截面尺寸较小，无法连接上部钢柱，外侧混凝土部分为纵向钢筋锚固提供了空间，可采用如下节点连接方式：
（4）外包刚接柱脚方案3：此柱脚节点适用于既有建筑混凝土结构顶层改造，钢柱脚底板较大，原混凝土柱截面尺寸较小，无法连接上部钢柱，外侧混凝土部分为纵向钢筋锚固提供空间，也可采用下列节点连接方式：
钢柱底板上方现浇钢筋混凝土，增加了现浇混凝土柱头对钢柱的预埋能力；将上部结构产生的轴力、弯矩通过钢柱与外部钢筋混凝土共同作用，有效地将刚度传递给原结构；同时避免了增加的钢柱与原混凝土柱之间刚度的突变。
外包加层柱脚节点施工工艺
下面以外包刚连接柱脚方案二中的节点为例介绍施工过程：
（1）拆除原屋面细石混凝土层上方的柔性防水层，并在梁柱节点区适当位置植入钢筋，如下图所示，植入原柱的钢筋长度应达到锚固长度要求，既要保证新增柱头与原混凝土柱的有效连接，同时要向上延伸至与新增柱头相同的长度。
（2）新浇筑混凝土柱头纵筋植入原钢筋混凝土柱四周框架梁及楼板内。纵筋植入原结构内仅起临时固定作用，不要求植入钢筋能传递弯矩、剪矩，向上预留纵筋长度应满足钢柱外混凝土高度要求。钢筋植入后按设计要求绑扎箍筋，浇筑新增柱头混凝土，并预埋连接钢柱的螺栓，浇筑后的混凝土柱头如下图所示。
（3）柱头混凝土达到设计强度后，安装钢柱，即将钢柱底板与预埋在混凝土柱头内的螺栓连接起来，并调整螺栓，使钢柱顶部达到设计的安装标高。最后将包裹混凝土的钢柱的箍筋扎紧。加固后进行第二次混凝土浇筑，完成整个柱底座的施工，如上图所示。
本文就新建建筑钢柱脚形式的选择、现行新规范关于柱脚的相关规定、各类钢柱脚的计算与施工、各类增层钢结构柱脚节点处理方法进行总结和整理，希望对设计师的设计工作有所帮助，不当之处请指出。
