外露式钢结构柱脚设计

外露式柱脚可兼做铰接与刚接，分析了外露式柱脚的受力形式，提出了外露式柱脚的构造要求，归纳了外露式柱脚的计算原理，并给出了外露式柱脚的应用局限性。
[关键词]外露式柱脚 铰接 刚接
引言
钢结构柱脚是连接上部结构与基础的重要部分，对整个结构的安全及造价有重大影响。柱脚按受力性能分为铰接与刚接，铰接柱脚宜采用外露式，刚接柱脚可采用外露式、埋入式及外包式。外露式柱脚是将钢柱通过底板与锚栓固定在混凝土表面的柱脚，兼可做成铰接与刚接，其构造简单，施工方便，在实际工程中有广泛应用。
1.外露式柱脚的受力分析
钢柱传来的轴力首先通过钢柱与底板间的焊缝传递给底板，再由底板把压力传给混凝土基础。由于底板与混凝土之间不能受拉，当底板出现拉力时，由嵌固在基础中的锚栓来承担。
在柱脚中，锚栓通常不能用以承受柱脚底部的水平剪力，此部分的水平剪力应由柱脚底板与其下部的混凝土的摩擦力来抵抗。当剪力过大时，应考虑设计剪力键来分担。
铰接柱脚仅传递轴力和剪力，不传递弯矩，弯矩仅出现在刚接柱脚的连接中。在刚接柱脚中，弯矩由柱底板直接传给基础，通过混凝土的承压来抵抗，而由弯矩产生的拉力则通过锚栓的受拉来抵抗。
　2.外露式柱脚的构造要求 
2.1 柱脚底板
混凝土强度远远低于钢材，因而必须在钢柱柱脚处设置一块较大的钢底板，来增加基础的受力面积，使得基础顶面的压应力不大于混凝土的抗压强度设计值。底板的厚度对于铰接柱脚不宜小于20mm，刚接不宜小于30mm，且均不应小于钢柱翼缘厚度。底板的尺寸及厚度均应通过计算确定。
2.2 锚栓
铰接柱脚的锚栓一般仅起到安装过程中固定的作用，因此锚栓的直径通常根据其与钢柱板件的厚度和底板厚度相协调的原则来确定，一般不宜小于20 mm，数量一般根据底板的面积和构造的要求确定。当出现上拔力时，铰接柱脚的锚栓应通过计算确定。刚性柱脚的锚栓则不仅起到安装过程固定的作用，而且在柱脚弯矩作用下承受拉力。因此，刚性柱脚的锚栓的直径和数量应由计算确定，直径不应小于24mm。
为便于安装与调整，底板上的螺栓孔应比栓杆直径大0.2～0.5倍，锚栓锚固长度不应小于25d，待安装就位后，将垫板与底板焊死固定。由于底板开孔较大，应设置锚栓螺母垫板，并采用双螺母紧固。
铰接柱脚不承受弯矩，锚栓设在翼缘内侧；刚接柱脚锚栓设在翼缘外侧，通常多于4个。
3.外露式柱脚的计算 
3.1 底板平面尺寸的确定
为了确定柱脚底板的面积，假定底板下基础混凝土的压力是呈线性分布。底板所受的压力不得大于基础混凝土轴心抗压强度的设计值。
3.2 底板厚度的确定
在计算底板厚度时，假定底板的悬挑部分类似于固定在柱周边的悬臂构件，其所受荷载为均布荷载。
当柱脚底板下混凝土基础的反力较大时，为避免底板厚度过厚，可采取设置加劲肋的处理方法，将底板分为区格，分别计算各区格内的底板。
3.3 柱脚底板与钢柱间连接焊缝计算
柱脚底板与柱下端的连接焊缝，无论有无加劲肋的布置，均可按无加劲肋的情况进行计算，此处的计算应按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行设计。焊缝传递全部荷载，但考虑到现阶段钢材加工的实际情况，如果能够铣平顶紧，应考虑承压传力的作用，此时焊缝承受的柱压力应考虑折减。在实际工程中，一般考虑焊缝仅需承受25%的柱压力，即此处可折减75%，计算中焊缝满足柱脚内力的25%可认为焊缝设计是安全的[1]。
3.4 锚栓的确定
当有上拔力出现时，锚栓的数量应根据上拔力确定。
3.5 柱脚的抗剪计算
在柱脚中，锚栓通常不能用以承受柱脚底部的水平剪力，此部分的水平剪力应由柱脚底板与其下部的混凝土的摩擦力来抵抗，摩擦系数控制在0.4，即如果0.4倍的轴力大于水平剪力，可不设置剪力键。否则，应考虑设置剪力键。
抗剪连接件设置方向应保证钢板面与剪力方向垂直，同时抗剪连接件应有足够的刚度（通过钢板厚度保证），一般不小于50mm。也可采用型钢作为抗剪连接件。上述验算应按两个方向分别进行。
结论
外露式柱脚设计理论较为成熟，应用较为广泛，设计人员应在设计时合理选择铰接还是刚接，按相应理论进行计算，并满足构造要求。对于刚接柱脚，规范中明确规定，只有7度及以下的地区且高度不超过50m的情况下才可以采用外露式柱脚，设计时应特别注意。
参考文献 
[1]柳玮涛 林娜.火力发电厂钢结构主厂房柱脚设计浅谈[N]. 武汉大学学报，2004.9：56-57.