摘要：当前，钢结构建筑取得了迅猛发展，已经成为当前我国重要的建筑形式之一。柱脚是钢结构建筑中的重要组成部分，柱脚设计质量会对整个建筑工程产生直接性影响。基于此，本文联系实际，就钢结构柱脚设计要点展开分析，希望能为相关工作的开展带来些许帮助。
关键词：钢结构；柱脚；设计原则；设计方法
在钢结构中，柱脚起到相关的连接作用，通过柱脚，基础混凝土与柱构件相连，基础也因此接收到建筑最下层柱所受到的弯矩、剪力以及轴力【1】。当前，常见的钢结构柱脚主要有以下类型：混凝土外包式柱脚、外露式柱脚以及埋入式柱脚。下面首先就这三种柱脚的特点做简要分析。
1钢结构柱脚的主要形式分析
1.1外露式柱脚
在钢结构中，外露式柱脚是由混凝土基础与脚底板、柱构件下端通过锚栓相连，形成外露式柱脚。与其他类型柱脚不同的是，外露式柱脚的锚栓被预先埋在了混凝土中，这样能保证混凝土实际强度达到设计标准，后续的吊装工作也更容易开展。即钢柱的吊装与基础梁的配筋施工可以分开进行，因而施工过程更为简单便捷，施工效率也更高。当前，我们常见的小规模钢结构建筑、高层建筑中外露式柱脚比较常见，主要是由于该种类型的柱脚结构简单，施工简便。但在认识到外露式柱脚有点的同时，也不得不注意到外露式柱脚的缺点：与其他类型的钢结构柱脚相比，外露式柱脚的力学性能，如承载力、刚度等相对较低,,且外露式柱脚的抗震性能也较差，因而外露式柱脚在多层钢结构住宅建筑中很少应用。在应用外露式柱脚时，剪力主要是由混凝土基础与底板的接触面进行传递。在设计与施工过程中，若摩擦力未达到设计标准，则可通过设置抗剪键的方式来承担柱底的剪力【2】。
1.2埋入式柱脚
与其他类型的钢结构柱脚相比，埋入式柱脚的承载力较高，稳定性也较好。在设计埋入式柱脚时，将钢柱设计为先屈服是常见的设计方法，在该种设计下，柱脚的完全弹塑性会相对稳定，整个钢结构的牢固性、耐久性也能得到有效提升。但埋入式柱脚也存在一些缺陷，如在埋入式柱脚中，埋入基础中的钢柱长度较长，且基础梁的宽度内的主筋不能与插入的钢柱相交、扩展或是弯曲等，因此设计与施工的难度较大【3】。
1.3外包式柱脚
在钢结构中，当钢柱底部外侧部分被钢筋混凝土包裹住时，便形成外包式柱脚。如钢结构柱是没有预先埋入混凝土基础内，因此整个施工过程相对简单便捷，柱脚的稳固定也能得到保证。但与其他类型柱脚不同的是，外包式柱脚的截面较大，从而导致楼面的有效面积减少。此外采用外包式柱脚结构，建筑装修起来也较为困难，因而在住宅类、商用类建筑中，外包式柱脚形式较为少见，而一些仓库、工厂、停车场等建筑，为有效保护建筑结构，防止车辆交叉碰撞对建筑造成损坏，一般采用外包式柱脚【4】。
2钢结构柱脚设计要点
2.1外露式柱脚设计要点
在设计外露式柱脚时，应选择具有延伸性能的锚栓。若锚栓不具备衍生性能，设计人员不应对锚栓进行屈服设计。在钢结构中，我们常见到的锚固长度通常在20d左右，不能短于20d。在以往施工中，锚板经常会出现松动、位置移动等现象，给正常施工活动带来影响。为防止以上情况的发生，在设计阶段就应做好稳固工作。如采用垫圈对锚板进行固定，以提升整个柱脚设计质量。在设计时，要做好相应防护工作，避免对基础混凝土造成破坏，应保证基础混凝土施工质量。在设计时，如果基础混凝土受到割裂破坏或其他破坏，那么在拔出螺栓时，很有可能会出现冲切破坏情况。因此为防止以上情况的发生，在设计时需采用无收缩砂浆进行填充，确认砂浆的密室强度高于基础混凝土的设计基准强度。设计外露式柱脚时，应考虑到应力作用，要做好柱脚底板的不屈服设计，保证即使受到外力影响，柱脚底板也不会发生屈服。最后，要想保证外露式柱脚设计质量，钢柱脚底板的实际厚度应在合理范围，如钢柱脚底板厚度不小于20mm【6】。
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2.2埋入式柱脚设计要点
由于外露式柱脚传递垂直荷载的能力较强，因此该结构柱脚不适宜应用于及那一些高层刚结构建筑或是大型工业厂房。但埋入式柱脚则恰恰相反，埋入式柱脚的稳定性高，也不易受到外损坏，因此被经常及那应用于高层钢结构建筑中。由于埋入式柱脚在钢结构建筑中钢结构柱脚发挥着重要作用，因此在设计时必须严格控制钢结构柱脚的设计质量。一般情况下，中低层钢结构建筑的基础为钢筋混凝土结构，因此在设计时，设计人员需控制混凝土强度，以提高基础部位的抗震性能，有效减少地震等自然灾害对建筑结构的损坏。与外露式以及外包式柱脚不同的是，埋入式柱脚传递轴力的主要部位为钢柱底板，因此设计人员在设计时应当精准计算、合理控制钢柱的截面高度，以此保证整体设计质量。为保证钢柱结构的稳固性，在设计时应使用一定数量的钢筋配置在钢柱周围，尤其是在边柱的周围配置钢筋，并适当增加混凝土的保护层厚度，以防工程在后续施工或使用过程中出现相关质量问题或安全问题。对于高层钢结构和大跨钢机构，选用埋入式柱脚最为适宜。为保证整个建筑结构的稳定性，在选择并应用埋入式柱脚时，设计人员应根据建筑物的类型来选择相应的柱脚连接形式，从而提升整体的设计质量【7】。
2.3外包式柱脚设计要点
在设计外包式柱脚时，主要通过钢柱脚部的底板将轴力传递给基础，同时通过外包式构件混凝土部分来传递剪切力与弯矩，以此保证整个建筑结构的稳固性。在设计外包式柱脚时，设计人员首先需要计算出柱脚的最大弯矩承载力以及钢柱脚部的负担承载力，在明确上述重要数据的基础上再进行设计，更有利于提升柱脚设计方案的科学性与合理性。此外，外包式柱脚的设计要点，还在于要合理控制柱脚的高度。通常情况下，外包式柱脚的合理高度应是在钢柱截面高度的2.5倍范围内。除合理设计柱脚高度外，设计人员还需要计算出外包钢筋混凝土纵向主筋的锚固长度，计算锚固长度的主要参考依据为异形钢筋的公称直径。在设计外包式柱脚的混凝土部分时，应严格依据《钢筋混凝土设计规范》进行设计【8】。设计人员需结合工程实际情况，参考国家以及行业提出的相关标准科学设计配筋率、箍筋直径、箍筋实际间距等重要数据，以保证整体设计效果。由于外包式柱脚的截面较大，导致楼面的有效面积减少，为最大程度弥补这一缺陷，在进行外包式柱脚的设计时，设计人员应将基础梁的上侧位置定为底板下侧位置，锚板以及底板应当按照外露式柱脚设计。要想提升整体设计效果，在设计时，若设计人员选择采用中空界面钢管设计柱子，那么就应做好相关防护工作，避免钢管出现局部变形等情况，导致后续工作无法开展。经研究发现，在设计外包式柱脚时，部分设计者会在柱外侧焊接栓钉，但经实践证明，栓钉的实际效果不是十分明显，因此可根据实际情况省略这一步骤。
3 结语
综上所述，在整个钢结构建筑中，钢结构柱脚发挥着重要作用，因此需高度重视钢结构柱脚的设计工作。当前，钢结构在我国的应用规模逐渐增加，钢结构柱脚的设计工作也逐渐朝着规范化方向发展，但其中仍存在些许不足之处。相关部门与人员应持续推进对钢结构柱脚形式、设计理论等方面的研究，让钢结构柱脚得到更好地应用与发展。
参考文献
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[7]石江涛,张静.钢结构外露式刚接柱脚设计新方法[J].建筑结构,2018,48(S1):445-447.
[8]吴焱. 钢结构外露式柱脚弱轴方向节点力学性能研究[D].华南理工大学,2018.
论文作者:魏飞
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/5/6