工程设计
钢结构工程中的箱形柱柱脚设计
王安舜
郑召娣
李存良
（陕西省机械施工公司钢结构设计研究所，西安７１００３２）
摘要：柱脚设计一直是钢结构节点设计中的关键之一。结合西安市广电世纪园剧场钢结构工程，通过对外露式刚接柱脚的设计，阐明了该类型刚接柱脚的理论计算方法，并对外露式刚接柱脚在大型公共建筑设计中的应用注意事项进行了探讨，建议采用埋入式柱脚。关键词：柱脚；刚接；锭接；反穹点；偏心压力法
ＴＨＥＤＥＳＩＧＮＯＦＢｏＸＣＯＬＵＭＮＳＨＯＥＦＯＲＳＴＥＥＬＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ
ＷａｎｇＡｎｓｈｕｎ
（ＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔｅｅｌ
ＺｈｅｎｇＺｈａｏｄｉＭａｃｈｉｎｅｒｙ
ＬｉＣｕｎｌｉａｎｇ
Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００３２。Ｃｈｉｎａ）
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＳｈａａｎｘｉＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅｅｌｃｏｌｕｍｎｓｈｏｅｓｉｓａｌｗａｙｓ
ｏｎｅ
ｏｆｔｈｅｋｅｙｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｊｏｉｎｔｓｆｏｒｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｔ
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ｍｅｔｈｏｄ
ｌ工程概况
，西安市广电世纪园剧场钢结构工程Ｂ区分为舞台和观众厅两部分，屋盖为空间管桁架结构，柱子为箱形截面钢柱，截面尺寸为９００
ｍｍ×４００
序号
柱１柱２柱３柱５
Ｎ／ｋＮ
３６３９６１３２
ｌ２５５
表Ｉ柱脚反力
Ｖ，／ｋＮ
Ｖ，／ｋＮ尬／（ｋＮ・ｍ）Ｍｙ／（ｋＮ・ｍ）
—１６６
４３１５７５４５９
３５２５４１４８８７７１０２１３１１０２３２５３６９
７５１９４
—５７
７０９—３９４３１
ｍｍ，板
１７６５３７４４１６６８１８９０
—５２—１５２—７４—１２０
３７
厚３０ｔｒｉｍ，材质Ｑ３４５一Ｂ钢，外露式刚接柱脚。２箱形钢柱柱脚的理论计算
该工程结构部分采用ＳＡＰ２０００有限元分析软件进行设计，柱脚平面布置如图１所示，柱脚厦力见表１。
Ｄ
一‘。
柱６
柱７柱８
—３５
５４１６４８—１５１５０５ｌ５８８
１５１２１８
９２３
４８７—６０３４７０６０５７８４１１４９９３１
１９７８
柱９
柱１０
２５１９７１８
—１６—９０—７１一２１１
—２４３
柱１１
柱１２
２２
１１１１９６
—５０—５０—６１—４９
１５６１４１１９０２９
乒１ｆｉ目往南Ｅ往‰一７
宅
－老１ｆ矗
柱１３柱１４
２４１９２２９１２
奏弋７蛀２０‰４“牲孓。：ｋＬ一
ｕ
—２０５—４４
３５８３１２
１月ｚ／
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柱１５柱１６柱１７
７２６３８０—１５２２
１０４
８３
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柱２３ｎ订
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５３７１５８６４５４８０１９０４１２５４４４６１７６９５６２０６２５９
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．１：＝
—６８—７２
４３９
—３３—９３
８５４４８
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柱２６ｎ
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柱１８
柱１９
一２７６
４７５３１９３１７２０３１８１１５７１８９
柱Ｚ０
柱２１
—２３５
５８２６９
—７８
１
—３７１
９３
０３２—２７
９９６７６５４２
柱２２柱２３
５１７
１７７
图１柱角平面布置
柱２４
柱２５
～４８
４０１１９５
３８２
３８６５
—１７
８７２
以第２１号柱脚（图２）的内力为例进行分析计算，基本设计条件：柱下混凝土基础截面１
８００
３００ｍｍＸ
柱２６
—１８９
第一作者：王安舜．男。１９７２年出生，硬士研究生。
Ｅｒｎａｉｌ：ｗａｓ８２１＠１６３．ｃｏｒｎ
ＩＴｌｎ＇ｌ，混凝土强度等级Ｃ４０；钢柱截面ＢＯＸ９００×
收稿日期：２００９－０８—０５
钢结构
２８
２０１０年第１期第２５卷总第１２９期
王安舜，等：铜结构工程中的葙形柱柱脚设计
４００×３０，材质Ｑ３４５一Ｂ；柱脚反力：Ｎ＝４
４６１ｋＮ，
２．３板底抗剪键的计算
柱与锚板采用全熔透一级焊缝焊接，实现了等强连接，所以该部位抗剪切强度无须验算。根据
ＧＢ
Ｕ－－－－５８ｋＮ，Ｕ＝－－３７１ｋＮ，尬＝１
一１９３ｋＮ・ｍ。
０３２
ｋＮ・１２１，鸠
５００１７—２００３《钢结构设计规范》的规定，锚板与
混凝土基础间的抗剪是由锚板与混凝土之间的摩擦力实现的（见ＣＥＣＳ１０２：２００２《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第７．２．２０条，肚。一０。４）。对处于８度设防区抗震等级为一级的框架，必须增设抗剪键。因此拟选用焊接截面高度为３００ｍｍ的Ｈ型钢
图２
２１号柱脚
作抗剪键。抗剪键腹板截面Ａ≥≥：望马姿堡：
＿，ｖ
上ｏｏ
２．１锸板尺寸及厚度的确定
锚板的尺寸主要考虑板底混凝土的局部承压破坏，即底板的尺寸由基础混凝土的抗压设计强度确定，计算底板厚度时，各区格应力可偏于安全地取底板的最大应力计算。根据构造，初选底板尺寸为：
ａ
２３９４Ｂ）。
ｍｍ２，腹板厚度计算后取ｔ。一４０ｒａｍ（Ｑ３４５一
抗剪键选Ｈ３００×２００×４０×４０（ｚ＝３００的焊接Ｈ型钢（图４）。
ｒａｍ）
ｘｂ—ｌ１００ｒａｍ×６００
ｍｍ，在轴力、弯矩共同作用
下，柱底板最大压应力为：
４６’口２ｂ。ｂ２４
了Ｎ＋鐾生＋嬖生：１８．２１２
。
ＭＰａ…‘。
５００１０—２００２
面≮
图４柱底抗剪键大样
柱底混凝土抗力的计算参见ＧＢ
《混凝土结构设计规范》，抗力分项系数取０．９，混凝土强度影响系数屉＝１．０，即：１．３５厂ｃ犀＝２５．７８５ＭＰａ，大于１８．２１２ＭＰａ（Ｃ４０混凝土轴心抗压强度设计值
正＝１９．１ＭＰａ），初选的底板尺寸为１
６００
１００ｈｉｍ×
２．４柱底板锚筋计算（图５）
底板锚筋计算采用偏心压力法。先按构造要求进行布置，然后计算锚筋的最大拉力，考察是否满足要求。由弯矩平衡关系可知：
ｍｍ，满足要求。
２．２锚板厚度的确定
板底应力寸。＝１８．２１２ＭＰａ，板厚按Ｉ区和Ⅱ区悬臂板计算（图３），为了计算方便同时考虑偏于安全，暂不考虑角部三角区域（图３中板的４个角部除阴影部分外的区域）的有利作用。由图３可知，悬臂板Ｉ、Ⅱ分别在Ｙ向、ｚ向的悬挑长均为１００
，９１０６０
ｍｍ，
尬＝Ｆ１ｙｌ＋Ｆ２Ｙ２＋Ｆ３ｙ３＋…＋Ｆ。ｙ。
式中
Ｅ——锚筋拉力；
Ｙ。——锚筋距形心轴ｚ的距离。
＋ｌ十Ｉ
基≈
，遣
ＩＩ
舅
磊
即，ｓ＝Ｚ，＝１００ｍｌＴｌ，则ＭＩ＝Ｍｎ＝０．５ａ。《，＝
＋＋＋＋＋＋
—王毫基
Ｎ・ｍｍ，按板的弹性强度理论可知，单位板
＋＋＋＋＋＋
ｊ｛
ｉ
宽应满足：￡≥＾／学；计算后取￡一５０ｍｍ。确定
Ｖ
，
『ｄ斟１８０ｂ０１８０ｂｏｌ８０
ｌ“Ｎｌ
锚板规格为一１１００ｍｍ×６００ｍｍ×５０ｍｍ。
锚筋布置＝＝Ｘ
心心添删／／
图５锚筋布置
柱截面
缓
ｌ
柱脚处于线弹性工作状态时只与Ｙ，的关系为：
＼＼
、
箦一志（蚤为常数）’则：Ｅ－＝ｋｙｉ，推导知形心轴ｚ向
｜詹葭
１００９００１００
锚筋最大拉力为：瓦如，＝尥ｙ。；／∑ｙ；；形心轴Ｙ
图３柱底板平面
ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｍ
２０１０（１），Ｖ０１．２５，Ｎｏ．１２９
２９
工程设计
方向锚筋最大拉力为：Ｆ。嘶，＝鸩ｚ妇。／∑ｚ；；计
中多用于铰接节点，不宜用作刚接柱脚，尤其是在罕遇地震作用下的刚接性能还有待于验证。所以从结构安全的角度讲，最好采用埋入式柱脚。．
２）由于柱脚刚度不宜保证，若在计算中视为刚接柱脚时，应充分考虑框架柱反弯点下移引起的柱顶弯矩的增大。由于柱脚的不完全刚接，使底层柱的底端有一定的转角，使得底层柱的反弯点下移，相当于弯矩释放，这些变化均应引起重视。在设计实践中底层柱反弯点下移多少不大好把握，常采取一些措施尽量增大柱脚刚度，如在柱脚加焊贴板；底层柱底截面考虑地震作用组合的弯矩值乘以增大系数，对于角柱还应在前面放大的基础上再行调整弯矩、剪力设计值（ＪＧＪ９９—９８《高层建筑混凝土结构技术规程》第６．２．２，６．２．４条）；柱底板锚筋计算时，不考虑钢筋的列和行数的影响，不考虑钢筋受压的有利影响，同时将柱的轴向力折减５０％等。有些工程师在计算Ｆ一时考虑在罕遇地震作用下锚筋有被拔出的可能，而提出了更为苛刻的折减（Ｆ一＝
算后锚筋最大拉力Ｆ。，：等：丝＋罢盈一ｉＮ＝
∑ｙ；
∑ｚ；
“
１８８ＧＢ
ｋＮ（锚筋计算见表２、表３）。锚筋最大抗力参考５００１０—２００２第１０．９条，不考虑锚筋抗剪：
０．８ａｂ．厂４。≥Ｆ～（Ｎ）。
—毕＋—单一０．５丛），其结果提高了锚筋
０．５＞：ｖ；０．５＞：ｚ；
筹。篇
的数量，却给施工带来极大的不便。
参考文献
注：括号内为对应锚筋强度．Ｎｊ＝Ｍｘｙ』／∑辨。
』＿１
［１］ＧＢ５００１０－－２００２混凝土结构设计规范［ｓ］．［ｚ］ＪＧＪ９９—９８高层建筑混凝土结构技术规程Ｉｓ］．
［３］李星荣．铜结构连接节点设计手册［Ｍ］．２版．北京；中国建筑
工业出版社，２００５．
［４］汪一骏，沈祖炎．钢结构设计手册［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工
业出版社，２００４．
考虑易于施工锚筋的规格不宜太多的原则，锚筋选用同种规格选配７２韭３２的三级钢筋。３一些思考
１）外露式柱脚因其刚性难以保证，在结构设计
３０钢结构２０１０年第ｌ期第２５卷总第１２９期