钢结构厂房柱脚设计要点
钢结构厂房的柱脚应能可靠地传递柱体的承载力，宜采用预埋、插入或外包裹式柱脚，地震烈度为6度或7度时也可采用外露式柱脚。地震破坏表明，外露式柱脚破坏的特点是锚栓的剪断、拉断或拔出，由于柱脚锚栓的破坏，使钢结构倾斜，严重时会导致厂房倒塌。外包裹式柱脚则表现为顶部箍筋不足而破坏。厂房钢柱可分为两大类，一类是单肢柱，通常称为实心柱（包括钢管、轧制或焊接H型钢）；另一类是格构柱。两类钢柱的受力状态不同，其柱脚设计也应区别对待。
1.实心柱（单肢柱）
实体柱与柱底座刚性连接，承受弯矩、剪力和轴力的综合作用。一般情况下，柱底座承载力应不小于柱截面塑性屈服承载力的1.2倍。即满足下列要求：
Mu≥1.2Mpc，N
式中：Mu为刚性柱脚极限弯曲承载力；
Mpc，N——柱截面完全塑性弯曲承载力，需考虑多地震组合轴力的影响。
1、预埋、插入式柱脚：
（1）柱脚预埋、插入混凝土基础的深度，应符合下列要求。
式中：d——柱脚埋深；
bf——翼缘宽度；
fc——基础混凝土抗压强度设计值。
另外，预埋柱底座埋入混凝土的深度不宜小于柱截面高的2.0倍；插接柱底座的深度不宜小于柱截面高的2.5倍。
（2）预埋柱脚截面受拉翼缘外侧所需焊接栓钉数量，可按下式计算：
n≥⅔（NAf/A+M/hco）/Vs
式中：n为柱受拉翼缘外侧所需焊接螺柱数量；
M、N——分别为多种地震组合的柱脚弯矩和轴力设计值；
A、Af—分别为柱截面和柱翼缘截面的面积；
hco——柱翼缘截面中心距；
Vs——圆柱头焊钉连接件抗剪承载力设计值，可按现行《钢结构设计规范》GB50017的规定计算。
(3) 插入柱脚插入截面的剪力传递(轴向力)须满足下式:
N≤0.75ftsd
式中：ft——基础混凝土抗拉强度设计值；
S——插入段实心柱截面的周长。
2、外购柱基：
外包柱底座为钢与混凝土组合结构，内部受力复杂，影响因素较多，目前尚有部分内容不明确，因此对各部位的形状、尺寸、配筋方式等构造要求较多。
混凝土包裹柱脚钢柱弯矩一般在外包柱脚顶部最大，在底板处近似为零。即在外包混凝土刚度较大、顶部钢筋配置齐全的条件下，主要认为内力在外包柱脚顶部开始由钢柱传递到混凝土。外包柱脚的典型破坏模式有：
（1）钢柱压力导致顶部混凝土被压溃；
（2）外部混凝土剪力引起的斜裂缝；
（3）主筋锚固处损坏；
(4) 主筋弯曲屈服。
其中前三种破坏模式会导致承载力急剧下降，变形能力变差，因此应在外层混凝土顶部配置足够的抗剪钢筋，通常采用3根构造箍筋，以防止顶部混凝土被压溃，并保证水平剪力的传递。外层柱脚处箍筋间距为100mm，避免产生剪切裂缝，并应保证钢筋的锚固长度与外层混凝土厚度一致。随着外层柱脚升高，作用在外层混凝土上的剪力变小钢结构柱脚底板厚度，但主筋的锚固力变大，可有效提高破坏承载力。外层混凝土的高度通常为柱宽的2.5倍及以上。
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定，采用外包裹柱脚时，实心H型钢柱外侧钢筋混凝土高度不宜小于钢柱截面高度的2.5倍，箱形截面柱或圆管截面柱外侧钢筋混凝土高度不宜小于钢柱截面高度或圆管截面直径的3.0倍。
外包柱底座的柱底钢板可经计算确定，但其厚度不应小于16mm，锚栓直径不应小于M16，并应有足够的锚固深度。
3. 外露柱脚：
震害调查表明，外露柱脚易发生地震破坏。从力学角度考虑，实心柱的外露柱脚按半刚性考虑更为合适。与钢柱全截面屈服承载力相比，多数情况下由锚栓屈服决定的柱脚塑性弯矩较小，外露柱脚在弯曲作用下的力学性能主要取决于锚栓。若锚栓在受拉屈服后能充分发挥塑性，则外露柱脚在受到重复荷载作用时恢复力特性将呈现典型的滑移型滞回特性。但在实际柱脚中，往往在锚栓截面未减弱部分屈服之前螺纹部分就已断裂，难以有足够的塑性发挥。另外，当柱脚承受较大的地震作用时，采用外露柱脚既不经济也不合适。
(1) 对于柱脚外露的实腹柱，抗震设计一般可按以下两种方法进行：
首先按照实心钢柱截面可靠传递塑性弯矩，满足公式Mu≥1.2Mpc,N的要求进行设计，显然这是一个从承载力角度进行柱脚连接的设计，不需要引入γRE。
其次，若按上述要求设计有困难时，可采用内力法进行设计。当6、7度区域采用外露柱底座时，建议按γGSGE+γEh（1.2~1.5）SEhk≤R/γRE进行柱底座抗震计算。
(2) 锚栓一般不要求承受柱底部的剪力，应根据需要在裸露的柱底部设置剪力键，以可靠地传递水平地震作用。
一般在柱脚板与混凝土基础面之间采用钢垫块来调整柱脚标高，安装完成后浇注细石混凝土，由于混凝土收缩等因素的影响，混凝土与柱脚板之间的摩擦系数也有很大离散性，不言而喻，如果采用较为精细的施工方法，考虑柱脚锚栓承受一定的柱脚剪力是合理的；但按照目前常规的施工方法，不考虑柱脚锚栓承受柱脚剪力也是合适的。
（3）外露柱脚一般应满足屈强比要求，当锚栓屈强比不满足要求时，应具有足够的承载力。
地脚螺栓应具有足够的锚固长度，并用双螺母紧固。
2.格构柱（双肢柱）：
格构柱的肢端主要处于拉伸和压缩工作状态，格构柱一般采用插入式杯状柱脚和外露式柱脚。
1.插入柱脚：
格构柱杯形插柱底座的最小插入深度不应小于单肢截面高度(或外径)的2.5倍，不应小于柱总宽度的0.5倍，且不应小于500mm。格构柱杯形插柱底座插入段的强度可按下列公式计算:
(1) 当格构柱受压肢设有柱底板时，可进行下列计算：
NE≤0.75ftsd+βfcAC
式中：NE为受压柱多地震组合最大轴力设计值；
β——混凝土局部受压强度提高系数；
Ac——柱底面积；
Ad—计算局部压力的面积。
(2) 计算无柱底座的格构柱的受拉肢和受压肢时，不考虑柱底座。
板材的支撑作用，忽略公式右边第二项NE≤0.75ftsd+βfcAC。
(3) 双肢柱的拉、压肢的冲切强度，应按下式验算:
NE1/(0.6μmho1)≤英尺
NE2/(0.6μmho2)≤英尺
式中：NE1、NE2——分别为多次地震中拉肢、压肢的最大轴力设计值；
ho1，ho2——冲孔计算高度；
μm——冲孔计算高度 1/2 处的周长。
2. 外露柱脚：
对于格构柱分离式外露柱脚，柱脚锚栓可按照γGSGE+γEh（1.2～1.5）SEhk≤R/γRE进行抗震验算（其中1.2适用于抗弯框架，1.5适用于柱支撑框架）。
当采用外露柱脚时，柱脚支撑框架体系的钢柱脚无论计算是否要求，均必须设置剪力键，以可靠地抵抗水平地震作用。柱脚锚栓不宜用来承受柱底水平剪力，应由钢底板与基础间的摩擦力或设置剪力键等措施来承受柱底剪力。柱脚锚栓应可靠锚固。
在具体工程中，设计人员应如何选择刚性柱脚形式？《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定，柱脚应能可靠地传递柱体的承载力，宜采用内嵌、插入或外置柱脚。6度、7度也可采用外露柱脚。建议多层钢结构厂房、有大吨位起重机（50吨及以上）的单层钢结构厂房刚性柱脚采用内嵌、插入或外置柱脚钢结构柱脚底板厚度，其他单层钢结构厂房可采用外露柱脚。采用外露柱脚时，应考虑其实际受力情况（考虑为半刚性更为合适），采取设置剪力键、保证锚栓直径、锚固长度等构造措施，解决锚栓震害，但同时应提高外露柱脚的最小承载力，保证地震条件下外露柱脚的安全性。
