8.6.3
外包式柱脚的设计应符合下列规定:
1 柱脚轴向压力由钢柱底板直接传给基础,按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010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 弯矩和剪力由外包层混凝土和钢柱脚共同承担,按外包层的有效面积计算(图8.6.3-1)。柱脚的受弯承载力应按下式验算:
式中:M——柱脚的弯矩设计值(N·mm);
As——外包层混凝土中受拉侧的钢筋截面面积(mm2);
f——受拉钢筋抗拉强度设计值(N/mm2);
h0——受拉钢筋合力点至混凝土受压区边缘的距离(mm);
M1——钢柱脚的受弯承载力(N·mm),按本规程第8.6.2条外露式钢柱脚M1的计算方法计算。
3 抗震设计时,在外包混凝土顶部箍筋处,柱可能出现塑性铰的柱脚极限受弯承载力应大于钢柱的全塑性受弯承载力(图8.6.3-2)。柱脚的极限受弯承载力应按下列公式验算:
图8.6.3-1 斜线部分为外包式钢筋混凝土的有效面积
1-底板
图8.6.3-2 极限受弯承载力时外包式柱脚的受力状态
1-剪力;2-轴力;3-柱的反弯点;4-最上部箍筋;5-外包钢筋混凝土的弯矩;6-钢柱的弯矩;7-作为外露式柱脚的弯矩
式中:Mu——柱脚连接的极限受弯承载力(N·mm);
Mpc——考虑轴力时,钢柱截面的全塑性受弯承载力(N·mm),按本规程第8.1.5条的规定计算;
Mu1——考虑轴力影响,外包混凝土顶部箍筋处钢柱弯矩达到全塑性受弯承载力Mpc时,按比例放大的外包混凝土底部弯矩(N·mm);
l——钢柱底板到柱反弯点的距离(mm),可取柱脚所在层层高的2/3;
lr——外包混凝土顶部箍筋到柱底板的距离(mm);
Mu2——外包钢筋混凝土的抗弯承载力(N·mm)与Mu3之和;
Mu3——钢柱脚的极限受弯承载力(N·mm),按本规程第8.6.2条外露式钢柱脚Mu的计算方法计算;
α——连接系数,按本规程表8.1.3的规定采用;
fyk——钢筋的抗拉强度最小值(N/mm2)。
4 外包层混凝土截面的受剪承载力应满足下式要求:
式中:V——柱底截面的剪力设计值(N);
Vu——外包式柱脚的极限受剪承载力(N);
be——外包层混凝土的截面有效宽度(mm) (图8.6.3-1b);
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值(N/mm2);
ft——混凝土轴心抗拉强度设计值(N/mm2);
fyv——箍筋的抗拉强度设计值(N/mm2);
fyvk——箍筋的抗拉强度标准值(N/mm2);
ρsh——水平箍筋的配箍率;ρsh=Ash/bes,当ρsh>1.2%时,取1.2%;Ash为配置在同一截面内箍筋的截面面积(mm2);s为箍筋的间距(mm)。
图8.6.4-1 埋入式柱脚混凝土的侧向应力分布
条文说明
8.6.3 外包式柱脚的设计参考了日本的新规定,与以前的规定相比,在受力机制上有较大修改。它不再通过栓钉抗剪形成力偶传递弯矩,甚至对栓钉设置未作明确规定(但栓钉对加强柱脚整体性作用是不可或缺的),抗弯机制由钢筋混凝土外包层中的受拉纵筋和外包层受压区混凝土受压形成对弯矩的抗力。试验表明,它的破坏过程首先是钢柱本身屈服,随后外包层受拉区混凝土出现裂缝,然后外包层在平行于受弯方向出现斜拉裂缝,进而使外包层受拉区粘结破坏。为了确保外包层的塑性变形能力,要求在外包层顶部钢柱达到Mpc时能形成塑性铰。但是当柱尺寸较大时,外包层高度增大,此要求不易满足。
图4 外包式柱脚的受力机制
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若纵向钢筋的粘结力和锚固长度不够,纵向钢筋在屈服前会拔出,使承载力降低。为此,纵向钢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现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定。为了防止出现承压裂缝,使剪力能从纵筋顺畅地传给钢筋混凝土,除了通常的箍筋外,柱顶密集配置三道箍筋十分重要。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现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017关于塑性设计规定。也可在柱脚部分的钢管内灌注混凝土。