单层或多层钢结构建筑,一般没有地下室,但又不想基础埋得深,不想钢柱外包、完成后截面增大,这样就排除了埋入式柱脚和外包式柱脚。
最后,外露式柱脚,就成了常被采用的形式。但在设计外露式柱脚时,还是会遇到这样、那样的问题,目前看,还没有非常好的解决方式。
外露式柱脚节点
外露式柱脚节点可以设计成铰接或刚接。其他类型的柱脚只能是刚接。
主要构造部件有底板、锚栓、(抗剪键)、加劲肋等。
外露式柱脚节点的构造要求和计算方法,需要考虑柱脚的受力性能、连接方式、抗震等级等因素。
外露式柱脚特点
外露式柱脚构造简洁,工序简单,施工方便,不需要预埋钢柱,经济、适用性强。
1. 基础与钢构件配合界面较为简单;
2. 对预埋螺栓精度要求高;
3. 荷载较大,较难满足抗震强柱脚的要求。
外露式柱脚设计问题
当外露式柱脚为铰接时,如果为了安装时候稳定,设计成四个螺栓,那实际上柱脚是有承担弯矩的能力。
当外露式柱脚为刚接时,往往并非是理想的刚接,考虑到后浇混凝土的密实性、地脚螺栓的预拧紧力、柱脚底板的变形,柱脚更像是半刚性节点。
为了保证柱脚的刚接,《抗震》8.2.8条还规定:
柱脚与基础的连接极限承载力,要大于1.1倍的考虑轴力影响时柱的塑性受弯承载力。
这一条使得,当钢柱较大时,外露式柱脚很难满足,要么就是做得很夸张。
外露式柱脚构造问题
钢柱安装完成后,需进行三次混凝土浇筑,而且这个节点图中,设计标注了三种不同强度的混凝土:
• 第一次是柱底板下部预留50mm的空隙,受力区域,考虑浇筑密实性,需要采用C40的微膨胀细石混凝土;
• 第二次是柱脚螺栓和加劲板的包覆,在地面以下,采用了C30的混凝土,还要配抗裂钢筋;
• 第三次是钢柱根部的保护包覆,需要采用C20的混凝土,包覆到地面以上不小于150mm的范围;
这么一来,每个柱脚的混凝土量都很少,但是支模浇筑混凝土的工序变得繁琐,很是费工。
小结
在日本地震频发的地区,类似下图所示的钢柱脚已经普遍应用,形成了很标准的做法。
这种平板式的做法构造简单,对基础影响小,建筑构造处理方便,国内钢结构专家也早有研究。
这种柱脚,需要采用半刚性的节点设计方法,然后就会使得计算模型变得较为复杂,需要定义不同的柱脚节点的转动刚度,这会影响到结构自重周期、梁柱的弯矩分配和钢柱的计算长度等。
同时影响柱脚的转动刚度的因素也很多,除了底板厚度、螺栓规格,还有底板下后浇混凝土的质量、螺栓孔预留的大小、螺栓的预紧力。
所以这个看似不大的改变,结果是增加了设计一系列的难度,对设计和施工都提出了系统性的挑战,不利于,在现有的平均技术水平下,快速设计和快速施工。
也可能是因为这些原因,使得这种做法虽然已经做了很多研究,但还是没有写入规范。