浅析钢结构柱脚的研究现状与发展趋势

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【摘要】在钢结构中，钢柱脚能够将上部结构的荷载传递给基础，在结构中起“承上启下”的作用，是对整个结构的安全具有十分重要的意义。本文主要对各类钢柱脚的研究现状进行了总结，指出了当前研究存在的一些问题，并对钢柱脚的研究和发展进行了展望。

【关键词】钢柱脚；研究现状；发展趋势

1、钢柱脚简介

钢结构具有强度高、自重轻、材质均匀、抗震性能好和便于加工组装等特点，在建筑结构中占有越来越重要的地位。在工业厂房、大跨结构、多层和超高层建筑中，这一现象表现得尤为突出。在钢结构中，钢柱脚能够将上部结构的荷载传递给基础，在结构中起“承上启下”的作用，是结构安全中十分重要的一环。根据构造形式的不同，钢柱脚可以分为外露式柱脚、外包式柱脚、埋入式柱脚和浅埋式柱脚（图1）。

2、钢柱脚的研究现状

2.1外露式钢柱脚的研究现状

外露式柱脚是通过预埋锚栓将钢柱通过底板安装定位在混凝土基础板上。它由钢柱、底板、锚栓和混凝土基础板（梁）组成，施工工艺简单、造价低，在轻型钢结构房屋和钢架轻钢厂房应用广泛，但因其刚度较小，在往复荷载下锚栓容易被拔出甚至被拉断，其抗震性能较差，在高层钢结构中很少采用。

国内对外露式钢柱脚的的抗弯、抗剪承载力以及锚栓的受力性能进行了大量研究。童根树1通过对国内外钢柱脚锚栓的设计方法的总结和分析，认为在单个锚栓的设计上，可采用弹性设计方法，应允许锚栓在柱脚摩擦力被克服的情况下参与抗剪，其抗剪强度设计值，对于Q235锚栓，取普通螺栓抗剪强度设计值的2/3，单个锚栓的抗拉强度设计值与普通螺栓相同；王岩辉2通过对四锚外露式铸钢柱脚进行ANSYS有限元分析后提出，轴压比、锚栓直径、位置及锚固深度和底板厚度均对柱脚的力学性能造成影响，其中锚栓是影响柱脚性能最主要的因素；方钢管柱脚中柱的轴压比控制在0.6左右，能达到安全与经济的平衡。此外，国外A.M.Kanvind3等对采用8个锚固螺栓（三排布置）的外露式方形钢结构柱脚进行了研究，并与四锚固螺栓的钢柱脚进行了对比，他指出，对于八锚固螺栓的外露式方形钢柱脚，每边的三个锚固螺栓承受的荷载并不是相等的，位于中间的螺栓承受了全部荷载的近2/3，在设计时应充分考虑到这一点，现有规范对最外缘锚固螺栓的受力计算偏保守。

2.2外包式钢柱脚的研究现状

外包式柱脚继承了外露式柱脚的优点，通过在钢柱底部一定高度范围内外包钢筋混凝土，以此来提高柱脚节点抵抗弯矩、剪力和变形的能力。与外露式柱脚相比，外包式柱脚刚度大、承载力高、抗震性能较好，是七八十年代应用较多的一种柱脚形式。但由于当时人们对于外包式柱脚的认识不够全面，在1995年的日本阪神地震中，外包式钢柱脚出现了一些破坏现象，如外包混凝土开裂、地脚锚栓被拉长或者拔出、底板焊接部位发生破坏等等。

影响外包式钢柱脚性能的主要因素是外包混凝土层高度、厚度以及外包段箍筋的配置等等，这些方面从国内外的研究资料以及相关规范中可以看出，某种程度上已经形成了共识；但对于外包式钢柱脚的传力机理，却还存在一定分歧。童根树4通过理论分析推导后认为，对于带有栓钉的外包式钢柱脚构件，钢柱必然通过栓钉将一部分轴力传递给外包混凝土，这一比例一般为20%～30%；郭中华5通过试验研究后认为，外包式钢柱脚的弯矩由外包段钢筋混凝土和钢柱共同承担，其中钢柱承担20%的弯矩。而在我国相关规范中，对于外包式钢柱脚的设计，并没有考虑外包混凝土承担的轴力以及钢柱的抗弯作用。

2.3埋入式钢柱脚的研究现状

埋入式柱脚是将钢柱直接埋土基础或者基础梁混凝土的柱脚形式，其整体性好，整体刚度大，在多高层建筑、大跨空间结构以及抗震设防区的建筑结构广泛采用。

国内对于埋深比（埋入深度/柱边长或直径）或埋入深度、栓钉的布置对埋入式柱脚的影响以及埋入式钢柱脚的传力机理和破坏形式等方面的研究较多。王桢希6通过对四个不同埋深比和不同栓钉布置形式的柱脚进行反复循环加载拟静力试验和22个埋入式柱脚模型的ABAQUS有限元分析发现，埋入式柱脚的抗震性能随着埋深比的增加而提高；对布置栓钉的柱脚，埋深达到一定深度后（埋深比大于2），再增加埋入深度对改善柱脚的抗震性能并没有明显效果；埋深比小于1.5的柱脚构件抗震性能非常差，实际工程中应避免；栓钉的布置可以有效地提升埋入式柱脚的抗震性能，埋深比在2.5～3时必须设置栓钉。刘B雯7利用ANSYS有限元分析软件对箱形截面埋入式柱脚进行了受力分析后认为，柱的轴向压力通过底板传递给混凝土基础，轴向拉力通过底板外伸部分或锚栓承拉传至混凝土基础；钢柱埋入部分设置栓钉能大大提高柱脚的抗弯刚度；埋深比对柱脚的影响主要表现在：埋深比越大，柱脚极限承载力越高，当埋深比超过一定数值后，其极限承载力不再增加。两者结果基本一致。

2.4浅埋式钢柱脚的研究现状

浅埋式柱脚是在外露式柱脚上覆盖一定厚度的混凝土板，使其兼具外露式柱脚和埋入式柱脚的优点，是近些年提出的一种新型柱脚形式。

Nakashima8按1/3～1/4的缩尺比例制作了20个浅埋钢柱脚构件和2个外露式钢柱脚构件，试验中采用水复荷载，没有施加竖向轴力，以研究底板尺寸、锚栓的长度以及混凝土梁（板）尺寸对抗震性能的影响。结果显示，外露式钢柱脚比埋入式钢柱脚具有更好的刚度，但埋入式钢柱脚极限承载力更高、滞回性能更好；埋入深度为1D的钢柱脚的力学性能的优劣很大程度取决于钢柱底部的处理（加底板和锚栓）；直接安装在钢柱底部的锚栓对柱脚的承载力和延性提高明显；埋入式钢柱脚可以适当减小混凝土梁（板）的尺寸。此外，他还对覆盖了钢纤维混凝土的浅埋式钢柱脚做了同样的试验研究，发现其极限承载能力、弹性刚度和能量耗散能力有了显著提升，这说明对覆盖的混凝土板采取加固措施能有效提高浅埋式钢柱脚的力学性能。

3、发展与展望

外露式钢柱脚的优缺点都很明显，即易于施工且经济，但在抗震方面有局限性。此外，由于其发展较早，技术较为成熟，在单层、轻型钢结构中具有明显的优势。随着高强钢材和高强锚固螺栓的发展，这种优势将更为明显。

外包式钢柱脚虽然应用较早，且不论是承载力还是抗震性能都较外露式钢柱脚有了提升，但由于相关研究比较少，人们对它的认识不是特别全面，导致其在实际应用中出现了许多问题。加上外包混凝土对建筑空间和外观的影响，在使用上会有一定限制。但是，随着研究的逐步推进，外包式钢柱脚在对已有建筑的加固补强方面的应用前景十分广阔。

埋入式钢柱脚的极限承载力和抗震性能都十分稳定，在多层和超高层建筑以及大跨空间结构中应用十分普遍。随着人们对于更高、跨度更大建筑结构的追求，对柱脚性能的要求将会越来越高。当前虽然对埋入式钢柱脚的性能有了一定的研究，但还远远不够。除此之外，由于埋入式钢柱脚的工艺较为复杂，施工难度大，在保证力学性能的同时如何精简施工流程、提高施工效率将是一个研究和发展的方向。

结束语

浅埋式钢柱脚作为一种新型柱脚形式，国内外的研究都很少，但其无论是力学性能还是施工难度方面都有着先天的优势，相信随着相关研究的推进，我们将会看到它在实际应用中的优秀表现。

参考文献

[1] 童根树，吴光美. 钢柱脚锚栓设计内力计算方法综述. 建筑结构，第34卷第6期，2004. 6

[2] 王岩辉. 外露式铸钢柱脚的性能研究[D].天津大学硕士学位论文，2012，11

[3] A. M. Kanvinde， P. Higgins， R.J.Cooke， J. Perez. Column Base Connections for Hollow Steel Sections： Seismic Performance and Strength Models. Journal of Structural Engineering， January， 2014

[4] 童根树，郭立湘. 外包式钢柱脚设计方法研究[J]. 工业建筑，第38卷，第10期：102-107

[5] 郭中华.外包式钢柱脚节点性能试验研究[D].北京林业大学，2011，6

[6] 王桢希. 埋入式钢柱脚抗震性能试验研究[D]. 苏州科技学院硕士学位论文. 2009，5

[7] 刘B雯. 埋入式柱脚设计方法与受力性能研究[D]. 湖南大学硕士学位论文. 2013，6

[8] Nakashima S. Response of Steel Column Bases Embedded Shallowly into Foudation Beams. Elsevier Science Ltd， 1996， Paper No.1225