《钢结构设计标准》解说专题(8)-柱脚设计
《钢结构设计标准》解说专题（8）-柱脚设计
《钢结构设计标准》解说专题（8）
柱脚设计
柱脚是钢结构节点中极其重要的一部分，在《钢结构设计标准》（GB 50017-2017，简称“钢标”）中，随节点单独成第12章，柱脚设计的规定独立为12.7一节。本文专门谈谈钢标柱脚设计的规定，主要围绕两点作一些解释：1）新增内容；2）改动较大的内容。
一、关于柱脚的总体规定
关于柱脚设计，原钢规的规定很少几条，还是放在构件的构造要求一节中。原来做设计，只能看一些散落在各个规范和手册中的内容，如《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）（简称“高钢规”）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（简称“抗规”）、《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）（简称“构抗规”）、《钢结构节点设计手册》（第三版，建筑工业出版社，简称“节点手册”，内容尚未按钢标升版）、《钢结构设计手册》（建筑工业出版社，简称“钢构手册”，第四版中已根据钢标规定更新）。但你会发现，规定还不统一。钢标这次的柱脚设计规定，等于做了一次系统梳理。
钢标关于柱脚的规定，总体上并列地给出了四种形式：外露式、外包式、埋入式、插入式柱脚。其余三种柱脚没啥好说，而插入式柱脚的内容，以前主要出现在工业建筑的相关规范中。钢标明确规定，插入式柱脚可用于多层钢结构框架柱，等于正式认可了插
入式柱脚在民用建筑中的应用。虽然钢标12.7.1的条文说明表示适用范围与高钢规协调了，实际上关于插入式柱脚在民用建筑中作为并列的柱脚形式还是第一次隆重登场。
【条文】12.7.1 多高层结构框架柱的柱脚可采用埋入式柱脚、插入式柱脚及外包式柱脚，多层结构框架柱尚可采用外露式柱脚，单层厂房刚接柱脚可采用插入式柱脚、外露式柱脚，铰接柱脚宜采用外露式柱脚。
【条文说明】12.7.1 刚接柱脚按柱脚位置分为外露式、外包式、埋入式和插入式四种。四种柱脚的适用范围主要与现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99的有关规定相协调，同时参考了国内相关试验研究以及多年来的工程实践总结。
二、关于外露式柱脚
外露式柱脚似乎没啥好说的了，因为太常见了，哪个规范都有规定。钢标主要规定了锚栓不宜受剪、柱脚计算和锚栓锚固长度的原则性要求。
锚栓不宜受剪，与钢规要求相同。非得考虑受剪，则需要满足一定的构造要求并进行计算，这在有些规范中已有规定，如门规。
柱脚计算的详细内容可以参见钢构手册。
锚栓构造要求在混凝土基础中的锚固长度不宜小于直径的20倍。当锚栓直径大于40mm时，锚栓端部宜焊锚板，其锚固长度不宜小于直径的12倍。
同时注意，在第17章关于抗震性能化设计，对于柱脚（包括外露式柱脚）另外有一些要求：
【条文】17.2.12 柱脚的承载力验算应符合下列规定：
1 支撑系统的立柱柱脚的极限承载力，不宜小于与其相连斜撑的1.2倍屈服拉力产生的剪力和组合拉力。
2 柱脚进行受剪承载力验算时，剪力性能系数不宜小于1.0。
3 对于框架结构或框架承担总水平地震剪力50％以上的双重抗侧力结构中框架部分的框架柱柱脚，采用外露式柱脚时，锚栓宜符合下列规定：
1）实腹柱刚接柱脚，按锚栓毛截面屈服计算的受弯承载力不宜小于钢柱全截面塑性受弯承载力的50％；
2）格构柱分离式柱脚，受拉肢的锚栓毛截面受拉承载力标准值不宜小于钢柱分肢受拉承载力标准值的50％；
3）实腹柱铰接柱脚，锚栓毛截面受拉承载力标准值不宜小于钢柱最薄弱截面受拉承载力标准值的50％。
【条文】17.3.16 实腹式柱脚采用外包式、埋入式及插入式柱脚的埋入深度应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011或《构筑物抗震设计规范》GB 50191的有关规定。
对于“实腹柱刚接柱脚按锚栓毛截面屈服计算的受弯承载力不宜小于钢柱全截面塑性受弯承载力的50％”，钢标17.2.9条塑性耗能区的连接计算，要求柱脚满足极限承载力条件，明显比这个50%高了不是一点半点（真算过的人知道这要求经常要搞死人）。那
么，只能理解为：延性设计时（延性等级I~IV），外露式柱脚满足17.2.9条，那么自然满足上述构造要求；非延性设计（延性等级V），外露式柱脚作为非塑性耗能区处理，不需要满足17.2.9条，但还得满足这个最低锚栓截面要求。
另外，“实腹柱铰接柱脚，锚栓毛截面受拉承载力标准值不宜小于钢柱最薄弱截面受拉承载力标准值的50％”，第一，默认钢框架柱脚可以做成铰接的；第二，这50%可也是要人命的，等于说锚栓毛截面面积不
高层建筑设计规范小于钢柱的50%。
三、关于外包式柱脚
钢标的外包式柱脚，和高钢规一样参考了日本的相关规定，从受力模式上就与以往的规定发生了本质变化，如图20所示：钢柱弯矩在外包柱脚顶部钢筋位置处最大，底板处约为零，承载机构如图21所示，等于是铰接钢柱与钢筋混凝土短柱的组合，即假定外包柱脚顶部开始从钢柱向混凝土传递内力，短柱范围的弯矩完全由钢筋混凝土短柱承担，按悬臂柱设计。弯矩通过钢柱和混凝土之间的压力传递。
同时钢标要求柱脚底板尺寸和厚度按结构安装阶段荷载作用下轴心力、底板的支承条件计算确定。而高钢规则表示轴压力由钢柱底板传递至基础，按底板面积计算局部承压。
作为对比，如节点手册中，以往的外包式柱脚受力模式假定是，轴力由钢柱底板传递，弯矩通过栓钉传递给混凝土短柱。
受力模式的变化直接导致对于栓钉的设计要求不同。以往的设计，外包式柱脚栓钉是必选，且要计算。受力模式假定变化后，钢标的条文中都没有再写栓钉的要求，只是在图中表示栓钉为“可选”，与高钢规表示“外包部分的钢柱翼缘表面宜设置栓钉”大致相当，即便采用栓钉，也只是构造措施了。
钢标没有给出这一受力模式下外包式柱脚的详细计算公式，包括受弯、受剪承载力、极限受弯、受剪承载力，可以参见高钢规。
另外，钢标表示，外包式柱脚典型的破坏模式如图22，包括钢柱的压力导致顶部混凝土压坏（1）；外包混凝土剪力引起的斜裂缝

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