抗震结构设计论文五千字

摘要：柱脚是钢结构中上部主体结构与基础连接的重要节点，文章对铜结构的埋入式和外包式柱脚的抗震设计进行分析。

关键词：钢结构柱脚；埋入式；外包式

1.通常钢结构的柱脚形式有外包式柱脚，埋入式柱脚及外露式柱脚3种

外包式柱脚指将钢柱脚外面用钢筋混凝土包住的柱脚，埋入式柱脚是把钢柱固定在混凝土的基础梁上柱脚，而外露式柱脚是在混凝土基础表面固定钢柱的柱脚，其也是最常用的钢结构柱脚。钢结构柱脚，反力特别大，因此设计规划时一般采用固定柱脚。在此类情况下，采用外露式柱脚不仅会导致底板既大又厚，消耗大量钢材，更重要的是难以确保柱脚被完全固定。外包式柱脚和埋入式柱脚钢结构固定式柱脚的很好的选择，通常抗震设计也用这两类柱脚。

2.埋入式柱脚抗震设计

埋入式柱脚的特点，是将钢柱以一定深度埋置在混凝土基础梁中，埋人部分的钢柱表面虽然焊有栓钉，但根据研究，在这种形式的柱脚中栓钉的作用不大，内力的`传递主要依靠混凝土对钢柱翼缘的承压力，柱的轴向压力可由柱脚底板传给混凝土，柱的轴向拉力可由柱脚底板伸出部分对混凝土的承压作用传给混凝土，或由锚栓传给基础。埋入式柱脚的支配因素是埋入深度。试验表明，对于轻型工字形柱，埋深与柱截面高度之比不得小于2，对于大截面的宽翼缘H形柱和箱形柱，埋深与截面高度之比不得小3，且同时应满足下式要求：

d>=（6M/bf*fc）0.5

d-柱脚埋深；M-柱脚全截面屈服时的极限弯矩；bf-柱在受弯方向截面翼缘的宽度；fc-基础混凝土轴心受压强度设计值。

2.1柱脚轴向压力由柱脚底板直接传给基础，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010验算柱脚底板下混凝土的局部承压，承压面积为底板面积。

2.2埋入式柱脚应验算在轴力和弯矩作用下基础混凝土的侧向抗弯极限承载力，埋入式柱脚的极限受弯承载力不应小于钢柱全塑性抗弯承载力；与极限受弯承载力对应的剪力不应大于钢柱的全塑性抗剪承载力。

埋入式柱脚的计算，可按以下假设进行：钢柱的轴心压力N是由埋入的钢柱底板直接传递到钢筋混凝土基础上；柱脚处的弯矩M由埋入钢柱的翼缘与混凝土基础的承压力来传递给基础，或者由埋入部分钢柱上的抗剪焊钉来传递；柱脚的剪力v由埋入钢柱的翼缘和基础混凝土的承压力来传递。

2.3采用钢管柱时埋入式柱脚的构造要求，截面宽厚比或径厚比较大（≥33）的箱形柱和钢管柱，其埋入部分应采取措施防止在混凝土侧压力下被压坏。常用方法是填充混凝土，填充高度应稍高于混凝土基础上表面；或在基础上端附近设置内隔板或外隔板。隔板的厚度应按计算确定，外隔板的外伸长度不应小于柱边长（或管径）1/10。对于有抗拔要求的埋入式柱脚，可在埋入部分设置栓钉。

2.4钢柱边（角）柱柱脚埋入混凝土基础部分的上、下部位均需布置u形钢筋加强。当边（角）柱混凝土保护层厚度较小时，可能出现冲切破坏，可用下列方法之一补强：

设置栓钉。根据过去的研究，栓钉对于传递弯矩和剪力没有什么支配作用，但对于抗拉，由于栓钉受剪，能传递内力。

锚栓。因柱子的弯矩和剪力是靠混凝土的承压力传递的，当埋深较深时，在锚栓中几乎不引起内力，但柱受拉时，锚栓对传递内力起支配作用。在埋深较浅的柱脚中，加大埋深，提高底板和锚栓的刚度，可对锚栓传力起积极作用。

3.外包式柱脚抗震设计

外包式柱脚的特点，是钢柱底板与外包混凝土底部齐平，外包混凝土配有主筋和箍筋，顶部箍筋要集中配置，钢柱的外包部分要设置栓钉，钢柱翼缘外侧的混凝土保护层厚度一般不应小于150mm，外包式柱脚的内力分布进行设计。当钢柱与基础铰接时，柱脚弯矩完全由外包钢筋混凝土承受，柱的剪力也由外包混凝土承担。至于柱的轴力，一般认为，轴力可由钢柱底板直接传给基础，轴向拉力可通过底板的伸出边缘和锚栓传给基础。

外包式柱脚设计应注意的主要问题是：（1）当外包层高度较低时，外包层和柱面间很容易出现粘结破坏，为了确保刚度和承载力，外包层应达到柱截面的2.5倍以上，其厚度应符合有效截面要求。（2）若主筋的粘结力和锚固长度不够，主筋在屈服前会拔出，使承载力降低。为此，主筋顶部一定要设弯钩，下端也应设弯钩并确保锚固长度不小于25d。（3）如果箍筋太少，外包层就会出现斜裂缝，箍筋至少要满足通常钢筋混凝土柱的设计要求，其直径和间距应符合规范规定。为了防止出现承压裂缝，使剪力能从主筋顺畅地传给钢筋混凝土，除了通常的箍筋外，柱顶密集配置几道箍筋十分重要。（4）抗震设计时，在柱脚达到最大受弯承载力之前，不应出现剪切裂缝。（5）采用箱形柱或圆管柱时，若壁板或管壁局部变形，承压力会集中出现在局部。为了防止局部变形，柱壁板宽厚比和径厚比应符合《钢结构设计规范》GB50017-2003关于塑性设计规定，也可在柱脚部分在钢管内浇灌注混凝土。

埋入式柱脚和外包式柱脚的混凝土保护层厚度均不小于180mm，钢柱埋人部分和外包部分均宜在柱翼缘上设置圆头焊钉，其直径不得小于16mm，其水平向和竖向的中心距离不得大于200mm。

4.结语

外包式和埋人式柱脚在抗震设计中已经被广泛应用，文章从受力等多方面对其具体设计进行了初步探讨，希望能为相关设计提供参考。

一、当前建筑结构抗震设计需要解决的问题

（一）合理选择建筑结构体系

在建筑物的结构设计中，最重要的一项就是选择结构体系，该体系选择的合理与否，直接关系到整个建筑物结构的安全。因此，要想合理的选择结构体系，应该从以下两方面入手：第一，结构体系需要具有明确计算的简单图纸。在对结构体系进行设计时，应该将建筑物房间的主要受力点放在主梁上，以便垂直的重力能够在最短时间内，从长度最短的路径传到主要的受力部位。合理布置屋内的内部结构，可以采用竖向构建的内部结构布置方案，该方案需要保证竖向构件压应力的均匀性。第二，结构体系的强度应该具有较高的合理性。一个建筑物结构体系的好坏，在很大程度上都是由其强度决定的，所以，设计人员应该在建筑物的薄弱部位进行合理的强度抗震设计，提高其抗震性。同时，在对结构的框架进行设计时，要保证节点构造不被破坏，尽可能的分散房梁和房柱顶端的塑性，并提高其薄弱部位的抗震能力。

（二）选择抗震的场地

建筑地点的抗震性对建筑物的抗震设计会产生直接的影响，所以，相关人员应该选择抗震性较强或者是有利于抗震设计的场地来建造建筑物，尽可能的避开那些不利于抗震设计的地段。由于地震会引发地裂、地表错动等，对地面的危害较大，所以，在选择抗震场地时，一定不可以选择一些土地液化、软弱、地质元素分布明显不均衡的地点，如果确实无法避开这些地点，则应该在施工初期在地面进行一定的抗震设计，加强地面的强度，稳定地基建造。同时，对于一些随时可以会发生地裂或者是滑坡的场地，施工人员一定要运用科学合理的手段来对地表进行全面的稳定。另外，对于一些需要将地基建设在土层分布不均或者是粘性土质较多的地区的建筑物，需要采用地基加固、桩基等方式来加强建筑的基础和上部结构的抗争性，做好抗震措施的处理。

（三）建筑的平面布置要有规则

在对建筑进行平面布置设计时，应该尽量的`遵循采用抗震设计的原则，使用规则性高的建筑设计方案。设计结构的规则性主要分为三方面：第一，建筑物的主体的抗压性必须要够强，其侧面受力结构不能够出现变形的情况，要尽可能的均匀受力。第二，建筑物主体在抗侧力结构方面的平面布置情况，在布置建筑物主体的抗侧力结构时，要保证同一侧的建筑物主体其抗侧力的强度是相同的，要保证同一侧各部分都能够均匀受力。第三，保证建筑物主体的抗侧力结构在布置上是与其周围结构体系的刚度是相同的，并且，都具备很强的抗扭刚度。

二、建筑结构抗震设计的注意事项

目前，当今社会已有的有关建筑抗震设计方面的理论，是对建筑行业逐年的实例验证进行研究分析，对结果不断的总结归纳得到的。并且，随着当前人们对于住房质量要求的提高，在建筑物结构中融入抗震设计是势在必行的，这也是当前人们之所以高度重视抗震设计的原因。因此，为了能够设计出抗震性较强的建筑物，在实际设计时应该注意：第一，建筑物的布局要保证科学合理性，保证建筑物中每个主要的受力物体都处在同一水平面中，只有这样才能在地震来临时承受住来自地面的压力，减少地震的破坏程度。第二，按照地震等级的不同，对房梁、房柱以及墙体的各个节点部分进行对应的抗震等级设计，保证内部的混凝土钢筋结构能够在受到地震作用后不会受到严重的破坏。第三，在建筑物中设计多个抗震防线。建立一个良好的抗震体系，对于缓解和消除地震带来的压力是十分重要的。因此，应该根据地震等级的不同在建筑物中设计多个抗震防线，当地震来临时，可以依靠这些防线对人们的生命安全提供多重的保护。

三、结论

虽然，目前我国相关行业在建筑物抗震设计方面已经取得了较好的研究成果，整个建筑体系的抗震设计也日趋完善，但是，还是有许多的问题还没有被及时全面的解决，这也是相关行业在日后的工作目标和任务。因此，相关行业部门应该将日后的工作重点放在研究地震破坏的原因上，只有这样，才能够在对建筑结构进行抗震设计时取得质的飞跃。