1 简介
钢结构柱脚是钢结构设计的重要组成部分，柱脚的连接对于抗震设计具有重要意义。
根据频繁地震设计的钢结构，要求柱脚与基础连接的极限承载力高于钢柱的塑性抗弯承载力。 该规定旨在保证设防级地震来袭时，柱脚的连接破坏晚于钢柱的破坏，体现了弱构件强连接的设计原则。 钢柱的全塑性抗弯能力是由钢柱本身的截面特性决定的，与小地震引起的柱脚内力无关。 因此，这一规定也是钢结构延性设计的具体内容，以低强度和高延性为基础。 设计理念。 《建筑抗震设计规范》和《高层民用建筑钢结构技术规程》都有相应的规定作为设计依据。 例如：《建筑抗震设计规范》第8.2.8-5条：
柱脚与基础连接的极限承载力应按下式校核：
《高层民用建筑钢结构技术规程》中的规定更加明确、具体。 其中，第8.6.2-3条、第8.6.3-3条、第8.6.4-2条分别为外露柱脚、包裹式柱脚、嵌入式柱脚的相关规定。 在此，本文根据《高层民用建筑钢结构技术规程》和《钢结构设计标准》的相关规定，对埋入式、外露式、外包式、插入式柱脚的极限承载力进行一些简单的计算。探索。
2 柱脚极限承载力计算分析
2.1 嵌入式柱底座：
《高层民用建筑钢结构技术规程》第8.6.4条预埋柱脚的计算公式如下：
注：本文顺序编号的公式均以*为前缀。
图1 预埋柱脚简单计算图
例：钢柱截面为B600X25，钢材为Q355，首层高度为4.5米，柱脚混凝土强度等级为C40。 根据公式（8.6.4-3）计算满足钢柱极限承载力的柱脚埋深。
选择不同断面、不同混凝土强度等级，按上述方法计算，可得下表计算结果：
表1 典型断面埋地基础计算深度一览表
注：计算Mu时，表1中基础短柱高度按50mm步长迭代计算。
由上述计算结果可以得出以下结论：
1) 预埋柱脚的极限承载力应根据混凝土墙体的承压能力确定。 当混凝土墙有足够的厚度时，混凝土柱脚具有很大的刚度。 这种柱脚属于刚性柱脚，不会灵活弯曲，只能对混凝土墙体造成承压破坏。
2) 柱脚埋深随混凝土强度等级的提高而减小。
3）上述各钢柱截面面板的宽厚比大致相同，约为30。可见，在面板宽厚比相同、混凝土强度等级相同的条件下，嵌入深度与截面高度的比值大体一致。 例如，在C40条件下，该比率接近1.8。
4) 若钢柱截面外部尺寸相同，则采用不同板宽厚比计算可得如下结果
表2 B550系列截面宽厚比与柱脚埋深(C40)的关系
表3 B650系列截面宽厚比与柱脚埋深（C40）的关系
由表2和表3可知，随着箱形柱壁厚的增加，柱脚埋深也随之增加。 当截面面板的宽厚比减小到15时，埋深与截面高度的长宽比HB/b仍然小于2.5。 由此推断，预埋柱脚埋深若符合《高层民用建筑钢结构技术规程》第8.6.1-3条或《抗震设计规范》第9.2.16条规定”，即：埋深不小于截面长边的2.5倍，通常不需要计算钢柱的极限抗弯承载力。
5) 上述分析未考虑轴力对截面塑性弯矩的影响。 若按《高层民用建筑钢结构技术规程》第8.1.5条中公式Mpc=1.15(1-N/Ny)Mp考虑轴力，则计算埋深为柱脚会更小。
对于有地下室的多层建筑，预埋件在地下室顶板时，梁的高度通常为800mm~1500mm。 如果钢柱在预埋件下方延伸一层，则这样的柱脚将与预埋柱脚不同。 十分接近，所以《高层民用建筑钢结构技术规程》第3.4.2条规定：“钢框架柱应延伸至计算预埋端以下至少一层，钢框架混凝土柱当钢框架柱的柱脚符合上述3.4.2条时，无需进行柱脚极限弯曲承载力验算。
2.2 裸露柱基：
《高层民用建筑钢结构技术规程》第8.6.2-3条中的外露柱基础计算公式如下：
Mu≥Mpc (8.6.2-2)
式中：Mpc——考虑轴力时柱的全塑性抗弯承载力（kN·m）；
Mu——考虑轴力时柱脚的极限抗弯能力。
图2 裸露柱基简单计算图
图2中的受力图可推导出如下，计算Mu公式：
图3 地脚螺栓布置
螺栓排列如上图所示，Lo=710mm，L=770mm，B=770mm。 将以上数据代入公式(*2)，可得Mu=1555.7kN.m。
可按《高层民用建筑钢结构技术规程》公式计算：
当N/Ny≤0.13时，Mpc=Mp (8.1.5-5)
当N/Ny>0.13时，Mpc=1.15(1-N/Ny)Mp (8.1.5-6)
本例中轴压比为0.4，Mpc=1404kN.m，满足Mu≥Mpc。
按上述方法计算了三段裸露柱脚锚杆的极限承载力。 基础混凝土强度等级为C40，锚固材料为Q355，地脚螺栓直径选取满足布置条件的最小直径。 直径。
注：上表中的地脚螺栓按满足柱脚极限承载力并能布置的原则选用。 常用的地脚螺栓规格有M20~M42。 当地脚螺栓直径超过M42时，不宜考虑采用外露柱脚。
对于室外电梯的钢框架结构，常用的钢柱规格为B200X8，材质一般为Q235，地脚螺栓也为Q235。 计算结果如表7所示：
从上述计算结果可以得出以下结论：
1）柱轴力的存在可减少地脚螺栓的规格和数量。 当柱的轴压比小于0.13时，所需的地脚螺栓总面积很大，所需的地脚螺栓直径也比较大。 随着柱的轴向力增加，所需锚固件的直径或数量趋于减少。
2）对于多层框架结果，柱截面一般在500mm以上，计算所需的地脚螺栓直径一般较大，如上表所示的M52、M72、M90等。 在这种情况下，应避免柱脚裸露。
3）对于加装电梯等荷载较小的简单钢结构，常用B200X6、B200X8等截面较小的钢柱。 它们需要较少的地脚螺栓，并且可以使用裸露的柱脚。
2.3 外包柱脚
缠柱基础的计算依据为《高层民用建筑钢结构技术规程》中公式8.6.3-5。 公式如下：
假设地脚螺栓材质为Q355，柱两侧各布置6个M20地脚螺栓，外柱脚混凝土强度等级为C40，外柱脚混凝土壁厚为200mm。 这里选取了几种常用的箱型截面。 柱，指定不同的轴压比，计算上述条件下包裹柱脚的配筋。 结果如下：
从上述计算结果可以得出以下结论：
1）包裹柱脚采用常规布置的安装锚栓（如上述6M20锚栓）时，B800X30等截面较大的包裹混凝土短柱的配筋值较大，难以安装排列钢筋。
2）在相同截面的情况下，随着轴力的增大，包裹混凝土的配筋量会减小。
2.4 插入式柱脚
插入式柱脚广泛用于单层工业厂房，也用于无地下室的2至3层工业厂房。 插接柱底座杯口应符合《建筑地基基础设计规范》第8.2.5条的相关规定，主要规定： 1、杯壁最小厚度； 2、杯壁的结构加固； 3、杯口基础挺度； 满足上述条件时，杯口基础可参照《钢结构设计标准》第12.7.10条、第12.7.11条进行设计。 此时，插入式基础与预埋式基础的受力机制是相同的。
3 结论
通过以上分析，可以得出一些结论，可供设计人员和审图人员在实际项目中参考：
1）对于预埋柱脚建筑工程 钢结构，当柱脚预埋深度满足规范规定的2.5倍截面高度时（《高层民用建筑钢结构技术规程》第8.6.1-3条，“建筑抗震设计规范》9.2.16，）建筑工程 钢结构，通常不需要计算连接的极限抗弯承载力。
2）外露式固定柱脚仅适用于层数少、荷载小、柱截面小的简单钢框架结构。 当柱截面较大时，尽管存在柱脚传力不良等诸多不利因素，但单独布置螺栓是非常困难的，应避免。
3) 外包柱脚处混凝土短柱的配筋宜通过计算确定。 当钢柱截面惯性矩较大时，短柱将因配筋过多而无法使用。
4）杯口柱脚常用于工业厂房。 虽然结构简单，但必须满足杯口壁厚、杯口刚度等基本结构要求。
5）本文仅讨论柱脚极限承载力的计算。 实际工程中，柱脚的连接还必须考虑最不利内力组合条件下最大弯矩的计算结果。
6) 上述柱脚极限承载力的基本计算是基于理论模型的分析。 实际工程中，柱脚的受力传递路径非常复杂，需要有效的结构措施来保证。 例如，外露的柱脚需要加装鞋梁和鞋板，以加强柱脚的整体刚度； 外购柱脚需加装螺柱； 预埋柱脚根据结构需要配备竖向钢筋、箍筋和U型夹件。 插入式柱脚顶部必须安装焊接钢网，并保证杯壁和杯口底板的基本厚度； 对于上述各种柱脚，箱形柱伸入混凝土柱脚的部分必须填充混凝土。 设计时应严格遵守规范中的相关结构措施。
关于作者：
马志英——硕士，一级注册结构工程师，教授级高级工程师，北京市装配式建筑专家委员会委员，现就职于建研航空设计北工（北京）工程咨询有限公司从事施工图审查工作.，以及公司技术委员会成员。
