抗震设计与抗震计算论文

抗震设计与抗震计算论文

摘要：柱脚是钢结构中上部主体结构与基础连接的重要节点，文章对铜结构的埋入式和外包式柱脚的抗震设计进行分析。

关键词：钢结构柱脚；埋入式；外包式

1.通常钢结构的柱脚形式有外包式柱脚，埋入式柱脚及外露式柱脚3种

外包式柱脚指将钢柱脚外面用钢筋混凝土包住的柱脚，埋入式柱脚是把钢柱固定在混凝土的基础梁上柱脚，而外露式柱脚是在混凝土基础表面固定钢柱的柱脚，其也是最常用的钢结构柱脚。钢结构柱脚，反力特别大，因此设计规划时一般采用固定柱脚。在此类情况下，采用外露式柱脚不仅会导致底板既大又厚，消耗大量钢材，更重要的是难以确保柱脚被完全固定。外包式柱脚和埋入式柱脚钢结构固定式柱脚的很好的选择，通常抗震设计也用这两类柱脚。

2.埋入式柱脚抗震设计

埋入式柱脚的特点，是将钢柱以一定深度埋置在混凝土基础梁中，埋人部分的钢柱表面虽然焊有栓钉，但根据研究，在这种形式的柱脚中栓钉的作用不大，内力的`传递主要依靠混凝土对钢柱翼缘的承压力，柱的轴向压力可由柱脚底板传给混凝土，柱的轴向拉力可由柱脚底板伸出部分对混凝土的承压作用传给混凝土，或由锚栓传给基础。埋入式柱脚的支配因素是埋入深度。试验表明，对于轻型工字形柱，埋深与柱截面高度之比不得小于2，对于大截面的宽翼缘H形柱和箱形柱，埋深与截面高度之比不得小3，且同时应满足下式要求：

d>=（6M/bf*fc）0.5

d-柱脚埋深；M-柱脚全截面屈服时的极限弯矩；bf-柱在受弯方向截面翼缘的宽度；fc-基础混凝土轴心受压强度设计值。

2.1柱脚轴向压力由柱脚底板直接传给基础，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010验算柱脚底板下混凝土的局部承压，承压面积为底板面积。

2.2埋入式柱脚应验算在轴力和弯矩作用下基础混凝土的侧向抗弯极限承载力，埋入式柱脚的极限受弯承载力不应小于钢柱全塑性抗弯承载力；与极限受弯承载力对应的剪力不应大于钢柱的全塑性抗剪承载力。

埋入式柱脚的计算，可按以下假设进行：钢柱的轴心压力N是由埋入的钢柱底板直接传递到钢筋混凝土基础上；柱脚处的弯矩M由埋入钢柱的翼缘与混凝土基础的承压力来传递给基础，或者由埋入部分钢柱上的抗剪焊钉来传递；柱脚的剪力v由埋入钢柱的翼缘和基础混凝土的承压力来传递。

2.3采用钢管柱时埋入式柱脚的构造要求，截面宽厚比或径厚比较大（≥33）的箱形柱和钢管柱，其埋入部分应采取措施防止在混凝土侧压力下被压坏。常用方法是填充混凝土，填充高度应稍高于混凝土基础上表面；或在基础上端附近设置内隔板或外隔板。隔板的厚度应按计算确定，外隔板的外伸长度不应小于柱边长（或管径）1/10。对于有抗拔要求的埋入式柱脚，可在埋入部分设置栓钉。

2.4钢柱边（角）柱柱脚埋入混凝土基础部分的上、下部位均需布置u形钢筋加强。当边（角）柱混凝土保护层厚度较小时，可能出现冲切破坏，可用下列方法之一补强：

设置栓钉。根据过去的研究，栓钉对于传递弯矩和剪力没有什么支配作用，但对于抗拉，由于栓钉受剪，能传递内力。

锚栓。因柱子的弯矩和剪力是靠混凝土的承压力传递的，当埋深较深时，在锚栓中几乎不引起内力，但柱受拉时，锚栓对传递内力起支配作用。在埋深较浅的柱脚中，加大埋深，提高底板和锚栓的刚度，可对锚栓传力起积极作用。

3.外包式柱脚抗震设计

外包式柱脚的特点，是钢柱底板与外包混凝土底部齐平，外包混凝土配有主筋和箍筋，顶部箍筋要集中配置，钢柱的外包部分要设置栓钉，钢柱翼缘外侧的混凝土保护层厚度一般不应小于150mm，外包式柱脚的内力分布进行设计。当钢柱与基础铰接时，柱脚弯矩完全由外包钢筋混凝土承受，柱的剪力也由外包混凝土承担。至于柱的轴力，一般认为，轴力可由钢柱底板直接传给基础，轴向拉力可通过底板的伸出边缘和锚栓传给基础。

外包式柱脚设计应注意的主要问题是：（1）当外包层高度较低时，外包层和柱面间很容易出现粘结破坏，为了确保刚度和承载力，外包层应达到柱截面的2.5倍以上，其厚度应符合有效截面要求。（2）若主筋的粘结力和锚固长度不够，主筋在屈服前会拔出，使承载力降低。为此，主筋顶部一定要设弯钩，下端也应设弯钩并确保锚固长度不小于25d。（3）如果箍筋太少，外包层就会出现斜裂缝，箍筋至少要满足通常钢筋混凝土柱的设计要求，其直径和间距应符合规范规定。为了防止出现承压裂缝，使剪力能从主筋顺畅地传给钢筋混凝土，除了通常的箍筋外，柱顶密集配置几道箍筋十分重要。（4）抗震设计时，在柱脚达到最大受弯承载力之前，不应出现剪切裂缝。（5）采用箱形柱或圆管柱时，若壁板或管壁局部变形，承压力会集中出现在局部。为了防止局部变形，柱壁板宽厚比和径厚比应符合《钢结构设计规范》GB50017-2003关于塑性设计规定，也可在柱脚部分在钢管内浇灌注混凝土。

埋入式柱脚和外包式柱脚的混凝土保护层厚度均不小于180mm，钢柱埋人部分和外包部分均宜在柱翼缘上设置圆头焊钉，其直径不得小于16mm，其水平向和竖向的中心距离不得大于200mm。

4.结语

外包式和埋人式柱脚在抗震设计中已经被广泛应用，文章从受力等多方面对其具体设计进行了初步探讨，希望能为相关设计提供参考。

中国建筑学会抗震防灾分会的学术活动

1978年5月地震工程学术委员会在徐州成立，193人参加，收到论文93篇。1981年12月在无锡召开了学术会议，76人参加，收到论文五十余篇，其内容主要有以下几个方面：抗震设计理论及计算方法、农村建筑抗震、抗震加固技术和工程结构抗震试验研究。1984年6月由建设部抗震办公室委托中国建筑科学研究院工程抗震所及分会在北京举办了：“城市抗震防灾研究班”，会上就地震危险性分析、地震小区划、生命线工程抗震、震害预测、工程决策等专题作了报告，并结合我国在这方面的情况作了介绍。1984年11月第2届委员会换届大会暨城市抗震防灾学术研讨会在黄山召开，97人参加，收到论文四十余篇。1984年与中国地震学会在上海联合举办了全国地震工程会议，会议印发了两本《地震工程论文集》，收入论文85篇，另外还有七十多篇论文和报告以单行本形式进行了交流。1984年8月由建设部抗震办公室和研究会联合主办的《工程抗震》杂志第1次编委会在北京举行。1985年年会在漳州召开，109人参加。1986年为总结唐山地震以来的抗震工作经验，先后召开了两次国内和国际唐山地震10周年学术交流会，国内会议名为“唐山地震10周年抗震防灾经验总结暨第8次全国抗震工作会议”，会议印发了“中国抗震防灾论文集”，约有90篇论文，主要内容有：抗震防灾工作综述、地震危险性分析及小区划、场地地基与基础抗震、结构抗震计算方法及抗震可靠度、工业与民用建筑抗震、抗震鉴定与加固、桥梁与水工结构抗震、管道井架高炉与储仓结构抗震、试验设施与试验技术；国际会议名为：“城市抗震防灾学术讨论会”，参加会议的有日本、美国、加拿大、新西兰、前南斯拉夫、罗马尼亚、阿尔及利亚、埃及等国家。会议主要讨论了3个方面的内容：唐山抗震防灾的经验及教训、建筑结构的抗震鉴定与加固和建筑结构及公共设施的抗震设计、地震工程方面的研究发展方向和国际合作。1987年在武汉举办了第2届全国地震工程学术会议，235人参加，收到二百三十多篇论文和8篇特约报告稿。1989年举办了全国首届构筑物抗震学术交流会，72人参加，这次交流会的征文范围主要是围绕《构筑物抗震设计规范》的内容，收到论文63篇，其中有关场地、地基及尾矿坝方面的14篇、结构抗震理论研究的5篇、框排架结构7篇、贮仓通廊与支架15篇、井塔井架8篇、储液槽罐5篇、电视塔及烟囱6篇、抗震加固实例及其它3篇。1991年11月召开了第3届高层建筑抗震技术交流会，一百六十多人参加，收到论文97篇，分为结构抗震理论及试验分析、工程抗震设计与研究、结构振动控制等。1991年11月第3届地震工程委员会第1次会议在哈尔滨举行，与会同志听取了“关于第3届地震工程委员会的工作总结报告”。1991年11月在宁波召开了“地基抗震学术交流会”。1998年8月在昆明举办了第3届生命线地震工程学术研讨会，来自美国、日本和我国的学者、专家共七十多人参加，会议由日本负责出版了论文集，2003年10月在青岛召开了第4届研讨会。1998年10月在北京举行第5届全国地震工程会议，这次会议上，在综合抗震防灾和强震地面运动、震害调查，场地效应及地基抗震，城市及企业的抗震防灾技术，建筑结构的地震反应，建筑结构的抗震设计、施工、鉴定、加固与改造，重大工程、生命线及设备抗震，工程结构隔震、控震技术以及结构和构件的试验技术等几个方面进行了大会交流，并出版了两本论文集，收入152篇论文。1999年11月在南京召开了学术报告会，请若干抗震界专家对最新抗震理论与实践作了详细报告，有近一百人参加。2000年8月在昆明市召开了全国学术研讨会，研讨内容主要围绕新修订的建筑抗震设计规范第4章有关问题进行研讨，60人参加，提交了7个专题的报告，本次会议出版了“工程抗震”增刊，登载了17篇论文。2000年9月在兰州举办了现代地震工程研讨会，一百余人参加，这次会议对近些年国内国外大地震对城镇的危害进行了深入的总结与交流，发表论文二十多篇，由《工程抗震》杂志分3期发表。2001年1月在北京召开了一次小型专题专家研讨会，二十余人参加，主要围绕新规范增加的“断裂工程影响评价”相关条文进行专项研讨，为这些条文的最后确定奠定了基础。2002年11月在南京举行第6届了全国地震工程会议，这次会议上就强震观测、地面运动与震害，场地和地基基础，结构地震反应分析，结构抗震设计、鉴定、加固和改造，隔震与振动控制理论和应用，工程结构性态检测与健康诊断，生命线工程和重大工程抗震，抗震试验技术和结构试验研究，城市防震减灾及标准规范等方面进行交流。正式出版了两本论文集。1998年和2000年先后在汕头和杭州，研究委员会的工作和进行学术交流。1999年和2001年先后在大连和南宁举办了较大规模的学术研讨会，两次研讨会均有一百多人参加，每次交流五十多篇论文，也均有论文集出版。