建筑工程钢结构柱脚设计

第八章基础设计

第一节基础设计的特点

由于结构型式、荷载取值、支座条件等方面的不

同，传至基础顶面内力是不同的，轻钢结构与传统的

税结构相比，最大差别就是在柱脚处存在较小的竖向

力和较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯

矩，在风荷载起控制作用的情况下，还存在较大的上

拔力。柱底水平力会使基础产生倾覆和滑移，基础受

上拔力作用，在覆土较浅的情况下，会使基础向上拔

起，有关这方面的问题，后面再作详述。由于轻钢结

构的这些受力特点，导致其基础设计与其它结构存在

很大的不同，主要表现在以下几个方面：

1.基础形式

基础型式选择应根据建筑物所在地工程地质情况

和建筑物上部结构型式综合考虑，对于硅结构基础，

常见的基础型式有独立基础、条形基础、片筏基础、

箱形基础、桩基等等，而对于轻钢结构而言，由于柱

网尺寸较大，卜部结构传至杵脚的内力较小，一般以

独立基础为主，若地质条件较差，可考虑采用条形基

础，遇到暗浜等不良地质情况，可考虑采用桩基础,

一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。

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（a）较接柱脚（b）刚接柱脚

图8-1不同柱脚型式的受力情况

2.柱脚受力

碎结构柱脚均为刚接，即同时存在轴向力N、水

平剪力V和弯矩M,故基础尺寸较大，轻钢结构常见

的柱脚型式有刚接和较接两种（图8-1）,其受力是不

同的，对于较接柱脚，

只存在轴向力N和水平力V,对于刚接柱脚，除存在

轴向力N和水平力V之外，还存在一定的弯矩M,从

而使刚接柱脚的基础大于较接柱脚。

3.基础破坏形式

要正确进行基础设计，首先要知道基础破坏形式，

对其工作原理有所了解。

对于硅结构，通常柱网尺寸较小，故柱底水平力相对

较小，基础一般不会产生滑移现象，又由于上部结构

自重很大，足以抵抗风荷载作用下产生的上拔力，故

基础也不会产生上拔的可能，对于这种结构，基础主

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要发生冲切、剪切破坏；而轻钢结构则不同，基础除

发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，

对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基

础产生倾覆和滑移破坏，另外，在风荷载较大的情况

下，特别对于一些敞开或半敞开的结构，由于轻钢结

构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，

导致基础上拔破坏。为防止这些破坏的发生，最经济

有效的方法是增加基础埋深，即增加基础上覆土的厚

度，但增加了土方开挖和回填工程量。另外对于轻钢

结构基础，还须预埋锚栓（也称地脚螺栓），用于上部

结构和基础的连接，若锚栓离碎基础边缘太近，会产

生基础劈裂破坏，所以我国钢结构设计规范规定了锚

栓离硅基础边缘的距离不得小于150mm；若锚栓长度

过筠，会使锚梓从基础中拔出,导致破坏，所以规范

也规定了锚栓埋入长度。

4.基础设计内容

基础设计一般包括基础底面积确定、基础高度确

定和配筋计算，还应符合有关构造措施。基础底面积

可根据地基承载力确定，同时还应考虑软弱下卧层存

在；基础高度由冲切验算确定；在基础底面积和高度

确定的情况下计算基础配筋，这里须注意伸缩缝双柱

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基础处理，双柱为基础提供了两个支点，在地基反力作

用下，有可能出现负弯矩，即基础上部受拉的情况，

此时除基础底部配置钢筋外，基础上部也应配筋，避免

因上部受拉而出现开裂现象。轻钢结构基础除上述内容

以外，还须进行柱底板设计和锚栓设计，至于这两部分

设计归于上部结构还是下部结构，也存在一些争议，柱

底板尺寸是根据柱与基础连接部位校的局部承压来确定

的，与基础碎参数有关，但其制作又与上部结构连在一

起，按照常规柱底板设计归入上部结构；锚栓在上部结

构和基础之间起桥梁作用，但基础施工时应将锚栓埋入,

故属于基础部分。本章避开这个问题，就锚栓和底板设

计分别进行讨论。

5.与上部结构连接

基础与上部结构是二次施工完成的，其间存在连

接问题。对于硅结构的基础，通过预留插筋的方式连

'H险盘Q

接上部结构（图忖扇派，而对于轻钢结阳磷，则通过

.JL6含微力为

预埋锚栓的方式进行连接（图8-2b）o

（a）砂柱基础预留插筋（b）钢柱基础预留锚栓

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图8-2基础与上部结构的连接

6.有关构造措施

除上述提到的几个方面之外，轻钢结构还有一些构

造措施有别于其它结构的基础，比如基础顶面须设置二次

浇灌层；埋入式柱脚应在钢柱埋入部分设置栓钉；埋入式

柱脚钢柱翼缘保护层厚度，对于中柱不小于180mm,对

于边柱和角柱的外侧不宜小于250mm,

具体详见有关构造手册。

第二节基础设计的特殊处理措施

由于轻钢结构的特殊性，使其基础设计也与一般

闻呵7T面喋知个方面蒯以诗论。

（a）较接（一）（b）较接（二）（c）刚接（一）（d）刚接（二）

图8-3几种常见的柱脚型式

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一、刚接和钱接柱脚

前面已提到过，能抵抗弯矩作用的杵脚称为刚接:

柱脚，相反不能抵抗弯矩作用的柱脚称为较接柱脚，.

刚接与饺接的区别在于是否能传递弯矩，在实际工程,

中，绝对刚接或绝对较接都是不可能的，确切地说应

该是一种半刚接半较接状态，为计算方便，只能根据.

实际构造把柱脚看成接近刚接或较接。刚接或较接柱：

脚关键取决于锚栓布置，较接柱脚一般采用两个锚栓”

（图8-3a）,以保证其充分转动，但有时考虑锚栓质量问

题，若一个锚栓质量不保证，会对整个结构受力产生.

较大影响，所以为安全起见，也可布置四个锚栓（图

8-3b）,但锚栓尽量接近，以保证柱脚转动。刚接柱脚.

一般采用四个或四个以上锚栓连接（图8-3c）,图中采用

六个锚栓，可以认为柱脚不能转动，前面讲的几种柱

脚均为锚板式柱脚4构造简单皿是丁程卜常用的杵脚―

型式，另外怀有一种杵脚型式，即靴梁式样脚（图8-3d）..

这种柱脚可看成固接柱脚（属于刚接柱脚），由于柱脚

有定高度，使其刚度较好，能起到抵抗弯矩的作用，“

但这种柱脚制作麻烦,耗工耗材，逐渐被其它柱脚型

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下面再介绍工程’上比较常用的固接柱脚（属于刚

接柱脚），即包裹式柱脚（图8-4）,这种柱脚既节省钢

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材又构造，简第5威£方更人而且衰金可嬴..立夏力上..

种典西J固。,熏脚］或丁。飞

图8-4包裹式柱脚另外还有一种插

入式刚接柱脚，将钢柱直接插入

混凝土内用二次浇灌层固定，这种柱脚近年来被北京

钢铁设计研究总院等单位研究成功，已在多项单层工

业厂房中应用，效果良好，并不影响安装调整。

上面讨论了刚接柱脚和钱接柱脚的有关构造，计

算模型应与构造相一'致，否则会造成工程,事+故济.这J海.；.中

点作为王:程设神大员需特另惬意可•那幺在何种情况下----

采用刚接柱脚或较接柱脚？其实这~~两种柱脚很明显的

区别就是对侧移控制，如果结构对侧移控制较严，则

采用刚接柱脚，例如有吊车荷载的情况，吊车荷载是

动力荷载，对侧移比较敏感，而且侧移过大会造最事

车卡轨现象，此时应把柱脚设计成刚接柱脚，但在某

些特殊情况下也可设计成较接；又如有楼层的结构,

侧移过大会使人感觉不安全，左右晃动，而且还会使

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楼面装修材料开裂等等，这样结构柱脚应按固接设计。

对T程卜常见的门式刚架，杵脚通常设计成钱接；对：

地质情况较差地区，柱脚应考虑较接,这样传至基

的内力仅为轴力和剪力，不存在弯矩，有利于基础设•

计7可以减少基础造价。

二、锚栓

锚栓是将上部结构荷载传给基础，在上部结构和下

部结构之间起桥梁作用。锚栓主要有两个基本作用：

1.作为安装时临时支撑，保证钢柱定位和安装

稳定性。

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日反工。I从j法-|^|39%由勾•冉殳常勾工((8-

5a),直径大"f/139的锚栓，一昧为锚板式(图8-5b)o

(a)弯钩式(b)锚板式

“图…8二5,…基础锚桎

对于较接柱脚，锚栓直径由构造确定，一般不小

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于M20；.对于刚接柱脚？锚栓直径由计算确定，一般不

小于M3。9…锚栓长度由钢结构设计手册确定，若锚栓埋

°。..可°.1％.%..."/

入基础中长度不能满足要求，则考虑将其焊于受力钢筋上。

为方便柱安装和调整，柱底板上锚栓孔为锚栓直径的1.5

倍(图8-6a),或直接在底板上开缺口(图8-6b)。底板

~I'^r'l.Iw^tr->I"■IT-II[«，»**.—»eso.冲.-

7^\|,"Xp+^KZ)\^、J…Enrfr为义.…”

100T优TL厚度根据计算确定，垫板上开孔较锚栓直

径大1〜2mm,待安装、校正完毕后将垫板焊于底

(a)开圆孔(b)开缺口

图8-6柱脚底板开孔

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图8-7较接柱脚锚栓布置图

图8-7为钱接柱脚锚栓布置图，图8-8为刚接柱脚锚栓

布置图。在图8-7中，从安全角度考虑，中柱两个锚

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栓可换成四个，但间距不能太大，以保证较接。

图8-8刚柱脚锚栓布置图

在工程上经常会提出这样一些问题：锚栓能否抗

剪？垫板是否要与底板焊牢？在施工时锚栓是否拧

紧？我国钢结构设计规范是不允许锚栓抗剪的，剪力

是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足

要求则须设抗剪键图萨8冶.■

(a)(b)

图8-9抗剪键

上海市轻钢规程规定，采用靴梁的刚接柱脚以及考虑

地震作用组合时的外露式柱脚的锚栓不得用于传递柱

脚底部的水平反力，此水平反力应由底板与混凝土基

础顶面间的摩擦力承受，摩擦系数可取0.4,当水平反

力大于摩擦力时，应设置抗剪键，上述情况之外，外

露式柱脚的锚栓可以传递柱脚底部的水平反力，但必

须进行计算，并将垫板与底板焊牢。后者应该更合理

些，因为轻钢结构重量比较轻，摩擦系数为0.4时底

板和混凝土之间产生的摩擦力很小，特别是在风吸力

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起控制作用时，底板与混凝土之间几乎不存在压应力，

也即摩擦力几乎没有，如果按钢结构设计规范，在此情

况下很难满足摩擦力抗剪的条件，很多结构须设抗剪键,

但在实际工程中很少设抗剪键，也没有因此发生工程事

故，可见锚栓参与了抗剪。若锚栓抗剪，一方面锚栓须

满足强度要求，另一方面与锚栓相邻的碎不发生局部承

压破坏。有人认为锚栓应该拧紧，这样有利于传力，这

种说法是不正确的，对于目前常用的平板式柱脚，考虑

锚栓传递剪力的情况，锚栓不应该拧得很紧，这样锚栓

在垫板开孔中产生微小滑动，使其与垫板孔壁接触，而

垫板又与底板焊牢，从而起到传递剪力的目的。但对于

固接柱脚，为保证弯矩传递须拧紧锚栓。

三、特殊情况下轻钢结构基

础1.格构式柱基础

格构式柱的柱脚有整体式和分离式两种，整体式一

般用于受力较小、两分肢间距较近时，但比较耗材，

在大多数情况下采用分离式柱脚；分离式柱脚两肢完全

分开，每个肢均为轴心受力。由于两种柱脚构造不同，

造成基础设计也不同。对于整体式柱脚，由于柱脚底板

是整块的，且设置一定数量加劲肋，使柱脚形成一个整

体刚度，因而作为基础的一个支点，这样基

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础仅需底部配置受力筋，而上部不需配筋（图8-10a）;

对于分离式柱脚，柱肢是分开的，但其基础很难分开,

因而为基础提供了两个支点，此时在基础上部出现负弯

矩，也即出现受拉的情况，在基础配筋时须注意，应同

时配置上、下部钢筋（图8-10b」

（a）整体式柱脚基础（b）分离式柱脚基础

图8-10格构式柱基础

2.地坪有较高承载力时的基础处理在实际工程中，

经常碰到一些改建、扩建工程，

比如在集装箱码头建造轻钢厂房，或在老建筑旁扩建

轻钢房屋但基础很难施工，等等。在进行这类工程的

基础设计时，可考虑采用喜利得（HILTI）锚栓，该

锚栓由瑞士喜利得公司生产，在国内工程中已得到广

泛应用，这种方法不需设计基础，只要地坪具有足够

的强度，就可直接在地坪中预埋HILTI锚栓。下面提

供HILTI锚栓的有关技术数据，有关锚栓固定设计方

面的细节可向喜利得公司垂询。

--------HlLTI锚桎有关技术I数据

HASNVHVU孑L径孔深

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螺杆尺设计抗设计抗尺寸doho

寸拉力剪力(mm)(mm)(mm)

(KN)(KN)

M810.37.981080

M1013.812.6101290

M1219.818.31214110

M1628.934.616*18125

M2052.454.02024170

g°

M2475.577.82428210

M2792.4164.02730240

M30121.3199.33035270

M33142.5248.43337300

M36169.4291.53640330

M39194.1350.63942360

1、以上数据用于：

♦混凝土强度为C25/30o

♦镀锌螺杆需符合ISO898Tl5.8级。

♦要达到以上剪力，基材厚度(h)不小于边距(C)

的1.5倍。

2、要更大力量可增大孔深，