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摘要：钢框架结构中，柱脚节点是上部主体结构与基础连接的重要节点，能将柱下端的弯矩、轴力、剪力传递给基础。因此其工作性能直接影响到上部结构的承载能力、稳定性、内力分布和变形性能。其中外露式钢柱脚是常用的柱脚节点，基于其特点和重要性，本文总结国内外学者对外露式柱脚节点性能的研究现状，指出目前研究存在的不足。
关键词：外露式柱脚；节点性能；研究现状
1.引言
在钢结构建筑中，框架的性能与柱脚性能密不可分，柱脚工作性能直接影响到上部结构的承载能力、稳定性、内力分布和变形性能[1]。常见的钢结构柱脚按照节点构造可以分为外露式、外包式和埋入式三种。其中外露式柱脚主要由钢柱、钢底板、锚栓和钢筋混凝土底座组成，其根据锚栓数量及位置又可以分为刚接柱脚及铰接柱脚：铰接柱脚不承受弯矩，其锚栓设置在柱翼缘内，一般为2个锚栓或者4个锚栓；刚接柱脚不发生转动，其锚栓设置在柱翼缘外，数量一般为4个及以上。
外露式柱脚相对于外包式和埋入式柱脚而言，具有现场安装定位方便、施工速度快、造价低等优点，但刚度和承载力有限，在工程中主要应用在低层和多层钢结构，例如厂房及多层住宅等。
2.国外研究现状
日本学者秋山宏（1985）[2]基于柱脚底板和混凝土基础无限刚性的假定，且抗弯刚度完全由受拉侧锚栓提供，提出了一种柱脚抗弯刚度的计算公式：
Thambiratnam D P等（1986）[3]以为荷载偏心率和底板厚度为变量参数，对12个不同的试件进行了轴力和弯矩作用下的试验。当偏心距较小时，底板因混凝土开裂而失效；其他情况下的主要失效模式是底板屈服，同时荷载偏心率对应变的影响比底板厚度影响更大。试验结果表明，在高偏心荷载作用下，底板的失效主要取决于板的屈服，其性能与现有设计方法的预测有一定的不同，因此现有计算方法不适用于偏心距较大的情况。
Hon K K等（1988）[4]对只有两颗锚栓的外露式铰接柱脚进行轴压和弯矩作用下的试验研究。试验参数涉及到底板尺寸、锚栓尺寸、柱截面尺寸等参数。研究发现底板平面尺寸、底板厚度、锚栓尺寸、柱尺寸等增大引起刚度和弯矩承载力增大；但底板平面尺寸影响略小，厚度影响显著，锚栓的影响在锚栓破坏的情况下更为显著。当底板很薄时，弹性刚度和塑性承载力低，所以当荷载较大时这种柱脚形式接近“铰接”。
Melchers R E（1992）[5]针对2颗锚栓及4颗锚栓的外露式铰接柱脚试验，提出了一个简单的初始刚度数学模型。该模型假设底板较薄时，底板转动线位于柱受压翼缘处；底板较厚时，底板转动线位于底板边缘。先计算锚栓名义轴力及柱脚名义弯矩；在考虑撬力情况下，计算出锚栓拉伸引起的挠度和底板变形引起的挠度，结合锚栓到转动线距离得出转角；最后由名义弯矩及转角计算出节点刚度。数值结果与试验结果对比，吻合良好。
Ermopoulos J C等（1996）[6]-[7]根据底板下砼的应力发展分布情况，将4颗锚栓外露式刚接柱脚分为三大类型，分别计算出中和轴的位置，进而通过迭代计算出弯矩及对应的转角，获得弯矩-转角曲线的离散数据点。将这计算方法引入框架中，可以获得比理想刚接或铰接更高的精度。同时提出了一种确定循环荷载作用下外露式柱脚响应的封闭形式解析模型，将该模型引入到整体结构的平衡方程中，考虑了柱脚的半刚性，从而更好地估计了内力分布。
Drake R M等（1996）[8]提出了与静力平衡方程和LRFD规范相一致的设计极限荷载。具体来说将柱底板连接在弯矩逐渐增大的过程中分为四个阶段：A.没有弯矩、底板没有上升趋势；B.弯矩很小，底板没有上升趋势；C.底板没有上升趋势时的临界最大弯矩状态；D.底板上升。并且提出了砼承压极限状态、锚栓受剪及受拉极限状态、底板弯曲屈服极限状态，以及各自的计算公式。
Sarno L D等（2008）[9]对钢-砼组合柱与砼底座采用传统的螺栓钢底板连接和新型的承插式连接两种连接形式进行单调加载试验。试验结果表明，锚固螺栓的性能对传统节点的结构响应有明显的影响，锚栓会引起大的固定端旋转，只具有有限的耗能能力。相反，新型连接节点表现出足够的强度，非弹性变形和能量吸收能力，延性优于传统锚栓连接柱脚节点。
I.Gomez等（2010）[10]根据试验数据，指出AISC规范中关于外露式柱脚强度设计公式过于保守，并且提出了新的强度计算公式。
Kanvinde A M等（2012）[11]提出了一种计算外露式柱脚转动刚度的新方法，该方法考虑了锚栓、受拉区底板、受压区底板和砼基础的作用，利用了现有的柱脚节点的设计程序，通过计算各组件的位移进而求出柱脚刚度。
S.Khodaie等（2012）[12]通过建立方钢管柱底板连接柱脚有限元模型进行变参数分析。将欧洲规范3关于该节点的初始转动刚度公式与回归分析的幂函数相结合，提出改进型公式。
Kanvinde A M等（2013）[13]指出美国钢结构设计规范AISC关于外露式柱脚的设计假设过于简化。通过有限元模型重点研究了应力分布，分析表明当前设计规范的假设与实际应力分布不同。较厚的底板，应力主要集中于底板受压边缘，这显着地放大了底板受压侧的弯矩，而规范不考虑这种效应可能偏于不安全。
Latour M等（2014）[14]通过试验数据与欧洲规范3中计算外露式柱脚转动刚度、抗弯承载力和弯矩-转角曲线的方法对比，研究其精度。同时改进了柱脚转动刚度计算方法。该方法基于有效宽度的定义，特别适用于弹性范围内的刚度计算。
Trautner C A等（2015）[15]对外露式柱脚提出一种多尺度有限元建模方式，该方法基于纤维单元模型的自动网格生成技术，应用该方法可以减少建模计算的成本和复杂性。计算得到的弯矩-转角曲线可以得到初始刚度、切线刚度、屈服强度和极限强度等，这些数据可以用于转动弹簧模型的建立或者直接提供设计使用。
Rodas P T等（2016）[16]将外露式柱脚在循环荷载作用下的变形分为6个过程，并提出一个弯矩-转角滞回响应模型。该模型利用了三折线骨架曲线模型，捏缩、卸载、再加载的滞回规律以及四个量化的劣化模型。该模型与一些试验结果拟合良好，并能模拟滞回响应的关键信息。
Shaheen M A等（2017）[17]将底板下有填缝砂浆的外露式柱脚试件与没有水泥砂浆试件对比，分析表明底板与混凝土底座之间水泥砂浆的支撑、底板与水泥砂浆、锚栓的拉伸形成了不同的传力路径，从而改善了柱脚性能和强度。
Lim W Y等（2017）[18]对承受轴压及弯矩的外露式柱脚进行强轴及弱轴的试验研究。分析表明弯曲性能主要受锚栓数量及位置和底板厚度影响显著。适当的底板厚度可以防止底板先于锚栓屈服，从而提高弯曲强度；而加劲肋对弯矩承载力影响不大。
3.国内研究现状
宋岩等（2013）[23]对外露式柱脚连接节点的抗震性能进行循环反复荷载作用的试验研究，分析其在地震作用下的破坏特征、滞回特性、骨架曲线、延性、耗能能力等。研究发现，翼缘支撑板可以提高柱脚的强度、承载能力和整体稳定性，柱脚区域呈现半刚性特征，且最终破坏均为柱脚根部出现塑性铰。
王枫智等（2015）[24]分析介绍了美国、日本、欧洲和中国四个国家或地区有关外露式柱脚节点的设计方法，对比了抗弯承载力、抗剪承载力和柱脚转动刚度的计算方法；并利用Opensees建立平面钢框架模型进行地震作用下的弹塑性时程分析，研究转动刚度对框架抗震性能的影响。研究发现柱脚随着转动刚度增大，其滞回性能对结构整体影响增大，并且柱脚考虑为半刚接时，结构具备更大的耗能能力。因此实际设计中应考虑转动刚度。
刘浩等（2017）[25]通过试验研究锚栓的数量、材质、排列方式以及轴压比等参数对外露式钢柱脚的承载力、刚度、及延性的影响。结果表明增加锚栓数量可以提高柱脚的极限抗弯承载力，且在大变形下耗能能力有所增加，但是对初始刚度的提高不明显；使用冷拔锚栓会大大减小柱脚延性，会发生脆性破坏，且锚栓的弹性模量对刚度影响较大；柱脚承受竖向拉力时，柱脚节点主要发生剪切变形，承载力、刚度较小，延性、耗能能力较差。
崔瑶等（2017）[26]通过改变轴力、锚栓数量及布置形式，进行4个外露式钢柱脚水平往复加载试验。当轴力为压力时，柱脚的剪力由底板与基础顶面的摩擦力传递；当轴力为拉力时，底板与基础分离，二者发生滑移，水平力一部分由锚栓传递；增加锚栓数量可以提高柱脚的极限抗弯承载力，同时当锚栓沿着加载方向布置在最外侧时，承载能力较大。
4.结论
综上所述，国外对外露式柱脚节点性能的研究起步较早，主要通过试验研究各个参数对柱脚抗弯性能、转动刚度、抗剪性能的影响，结合欧洲规范3或者美国钢结构规范对节点相关计算公式进行一定的修正。国内学者对外露式柱脚的研究相对较晚，且主要进行定性的研究，对转动刚度的研究则是在前人研究的基础上建议增加部分参数影响，对柱脚连接的抗震性能研究还没足够的深入，尤其是柱脚的刚度对上部结构整体的抗震性能影响不够深入。未来有必要对深入研究柱脚刚度及其对框架整体抗震性能的影响。
参考文献
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论文作者:林国旭,郑彦君
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：底板论文; 刚度论文; 弯矩论文; 性能论文; 节点论文; 承载力论文; 荷载论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;