改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法与流程

本发明涉及建筑钢结构领域，具体为改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法。

背景技术：

1、随着工业化及城市化的发展，钢结构技术在建筑领域的运用也得到了快速发展。钢结构由于拥有强度高、重量轻、塑性及韧性良好、整体变形能力强、工业化程度高、结构空间布置灵活、施工周期短等一系列优点，在工业厂房、仓库、超市、展馆、体育场馆等工业与民用建筑之中得到广泛应用。

2、钢结构中的柱脚是整个结构的重要节点，是将上部主体结构与基础连接的重要部分，柱脚连接节点必须能有效的将钢柱下端的轴力、剪力和弯矩传至基础，使钢柱与基础有效的连接在一起，确保上部结构承受各种外力作用。钢结构的柱脚连接节点是决定钢柱稳定承载力和刚度的关键节点，对整个钢结构起着十分重要的作用，在设计及施工中应给予充分重视。钢结构柱脚按照节点连接位置可划分为四种形式，分别为外露式柱脚、外包式柱脚、埋入式柱脚和插入式柱脚；钢结构柱脚按照节点连接传力情况可划分为铰接和刚接两大类。其中，外露式钢柱脚因其安装方便、可有效缩短施工周期以及造价低等优点是目前中低层建筑中应用最为广泛的柱脚形式之一；外露式柱脚与基础的连接有铰接和刚接之分，当要求外露式柱脚能有效的将钢柱下端的轴力、剪力和弯矩传至基础，外露式柱脚应按刚接设计及构造。在抗震设防地区的外露式刚接柱脚节点，应与上部结构的抗震性能目标一致，柱脚节点构造应符合“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点应满足抗震极限受弯承载力验算）。

3、现行的相关技术规范以及技术手册中给出的常用外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋螺栓组成柱脚）难以满足“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点难以满足抗震极限受弯承载力验算）。比如国标《高层民用建筑钢结构技术规程》(jgj99-2015)及《钢结构设计手册》中给出的常用外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋螺栓组成柱脚）：①钢柱的基座混凝土浇筑前，将预埋螺栓进行定位预埋。②钢柱底部与钢柱脚底板及钢柱脚加劲肋焊接连接；钢柱脚底板上根据预埋螺栓在相应位置设置螺栓孔。③钢柱吊装时，预埋螺栓杆穿过钢柱脚底板上的螺栓孔，基座顶面与钢柱脚底板之间灌注无收缩砂浆，在穿过钢柱脚底板的预埋螺栓杆上套上钢垫板并拧紧双螺母。钢柱通过柱脚底板及预埋螺栓传力至混凝土基座。

4、相关技术规范以及技术手册关于柱脚连接节点“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算）要求应满足，为钢柱的全塑性受弯承载力，mu为柱脚连接节点抗震极限受弯承载力。在轴力和弯矩作用下按钢筋混凝土压弯构件截面设计方法计算得到，设截面面积为钢柱脚底板的面积，由受拉边的预埋螺栓单独承受拉力，混凝土基础单独承受压力，受压边螺栓不参加工作，锚栓和混凝土的强度均取标准值。的大小主要取决于受拉边的预埋锚栓的抗拉能力。对于前述常用的外露式刚接柱脚构造及传力方式，有如下问题：①柱脚底板所能排布的预埋螺栓数量难以满足抗震极限受弯承载力验算所需的预埋螺栓数量，柱脚连接节点的抗震极限受弯承载力验算一般很难通过。② 为了排布足够数量的预埋螺栓以满足抗震极限受弯承载力验算，钢柱脚底板需扩大，由于预埋螺栓通过钢柱脚底板传力，钢柱脚底板需具备足够的刚度，因此需采取增设靴梁等提高底板刚度的措施，使得钢柱脚连接节点的设计及构造较为复杂，且整个外露式刚接柱脚所占用的空间也较大。

5、钢结构的柱脚连接节点是决定钢柱稳定承载力和刚度的关键节点，对整个钢结构起着十分重要的作用；如何采取合理有效的方法使外露式刚接柱脚满足“强节点、弱构件”的设计原则，是设计及施工中需要充分重视的。

技术实现思路

1、本发明提供的改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及其抗震极限受弯承载力验算方法，可有效的解决现行相关技术规范以及技术手册中给出的常用外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋螺栓组成柱脚）难以满足“强节点、弱构件”设计原则（即柱脚连接节点难以满足抗震极限受弯承载力验算）的问题。该改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点具有构造简单、传力明确、方便施工等特点；对应提供的抗震极限受弯承载力验算方法的受力分析明确，严格遵循现行相关技术规范的概念及理论，且有较好的可操作性；本发明具备推广运用的价值。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点构造方式：

4、箱型钢柱底部与底板焊接固定；加劲肋与箱型钢柱侧壁及底板之间焊接固定；底板上设置螺栓孔。

5、预埋钢板与锚筋采用t形焊接；预埋钢板上开孔位置与柱脚底板上的螺栓孔匹配，将预埋螺栓穿过预埋钢板上的预留开孔后，将预埋螺栓与预埋钢板焊接连接；预埋螺栓穿过并伸出预埋钢板上方，用于后续安装固定箱型钢柱脚；预埋钢板、锚筋及预埋螺栓组成预埋件；箱型钢柱的基座混凝土浇筑前，将加工好的预埋件进行定位预埋。

6、箱型钢柱安装时，预埋螺栓穿过钢柱脚底板上的螺栓孔；箱型钢柱安装就位后，在预埋螺栓上套上钢垫板并与底板焊牢；在预埋螺栓上拧紧双螺母；底板与预埋钢板之间采用角焊缝四面围焊固定。

7、对应上述改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点，提供该柱脚连接节点的抗震极限受弯承载力验算方法，验算方法包括如下步骤：

8、（a）计算考虑轴力时箱型钢柱的全塑性受弯承载力 ；

9、（b）计算箱型钢柱柱脚与钢筋混凝土基座上的预埋件连接的抗震极限受弯承载力mu1 ；

10、（c）计算预埋件与基座连接的抗震极限受弯承载力 ；

11、（d）箱型钢柱柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算判别：

12、 式1： 

13、式2： 

14、当上述两式同时成立时，箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点的抗震极限受弯承载力验算通过。

15、当式1的验算不能满足时，应调整箱型钢柱的柱截面尺寸、预埋螺栓数量、预埋螺栓直径、预埋螺栓排布、柱脚底板与预埋件的预埋钢板间的角焊缝焊脚尺寸的设计及构造，重新验算直至式1成立。

16、当式2的验算不能满足时，应调整箱型钢柱的柱截面尺寸、预埋螺栓数量、预埋螺栓直径、预埋螺栓排布、锚筋数量、锚筋直径、锚筋排布的设计及构造，重新验算直至式2成立。

17、所述考虑轴力时箱型钢柱的全塑性受弯承载力根据式3及式4计算，单位为kn·m。

18、当n/ny≤0.13时，式3：；

19、当n/ny＞0.13时，式4： ；

20、 ； ；  ；

21、其中，n为箱型钢柱轴力设计值，单位为n；ny为箱型钢柱轴向屈服承载力，单位为n；a为箱型钢柱截面面积，单位为mm2；fy为箱型钢柱钢材的屈服强度，单位为n/mm2；mp为全塑性受弯承载力,单位为kn·m；wp为箱型钢柱塑性截面模量，单位为mm3；b为箱型钢柱截面的宽度，单位为mm；h为箱型钢柱截面的高度，单位为mm；t为箱型钢柱壁板的厚度，单位为mm。

22、所述箱型钢柱柱脚与钢筋混凝土基座上的预埋件连接的抗震极限受弯承载力根据式5及式6计算，单位为kn·m。

23、式5： 

24、式6： 

25、mu1的计算方式：在箱型钢柱轴力与弯矩作用下，假设箱型钢柱柱脚通过预埋件与钢筋混凝土基座形成刚接连接的受力模型为“钢筋混凝土压弯构件”。假设的钢筋混凝土压弯构件截面尺寸取箱型钢柱的柱脚底板截面尺寸，由受拉边的预埋螺栓杆及钢柱脚底板与预埋件的预埋钢板间的角焊缝共同承受拉力，假设的钢筋混凝土压弯构件截面受压区混凝土单独承受压力，受压边的预埋螺栓不参加工作；考虑到实际受力状态与理论分析的偏差，偏安全的按预埋螺栓的强度取屈服强度fy，混凝土的抗压强度取标准值fck，角焊缝的抗拉强度取极限值fuf。角焊缝在受拉区的最外侧，受拉应变最大，因此角焊缝按极限强度计算；预埋螺栓在角焊缝内侧，因此预埋螺栓偏安全的按屈服强度计算。

26、其中，n为箱型钢柱轴力设计值，单位为n；α1为系数，当基座混凝土强度等级不超过c50时，α1取为1.0,当基座混凝土强度等级为c80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；fck为钢筋混凝土基座的混凝土轴心抗压强度标准值，单位为n/mm2；ba为假设的钢筋混凝土压弯构件截面垂直于弯矩作用方向的边长，可取箱型钢柱柱脚底板截面垂直于弯矩作用方向的边长，单位为mm；x为假设的钢筋混凝土压弯构件截面混凝土受压区高度，单位为mm；fy为预埋螺栓的屈服强度，单位为n/mm2；ac为单根预埋螺栓的截面有效面积，单位为mm2；n为受拉边的预埋螺栓根数；hf为钢柱脚底板与预埋件的预埋钢板之间的角焊缝焊脚尺寸，单位为mm；b为箱型钢柱柱脚底板截面垂直于弯矩作用方向的边长，单位为mm；fuf为角焊缝的抗拉强度极限值，单位为n/mm2；h0为假设的钢筋混凝土压弯构件截面平行于弯矩作用方向的有效高度，单位为mm。

27、所述预埋件与基座连接的抗震极限受弯承载力根据式7~式10计算，单位为kn·m。

28、式7： 

29、式8： 

30、式9： 

31、式10： 

32、取式7、式8两式得出的较小的mu2作为预埋件与基座连接的抗震极限受弯承载力mu2。mu2的计算方式基于压力、弯矩、剪力共同作用时的预埋件承载力计算理论，考虑到实际受力状态与理论分析的偏差，偏安全的按锚筋的强度取屈服强度fyk，基座混凝土的抗压强度取标准值fck。

33、其中，n为箱型钢柱轴力设计值，单位为n；v为箱型钢柱剪力设计值，单位为n；as为锚筋的总截面面积，单位为mm2；αr为锚筋层数的影响系数，两层取1.0，三层取0.9，四层取0.85；αv为锚筋的受剪承载力系数；αb为预埋钢板的弯曲变形折减系数；fck为钢筋混凝土基座的混凝土轴心抗压强度标准值，单位为n/mm2；fyk为锚筋的屈服强度，单位为n/mm2；z为沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的距离，单位为mm；d为锚筋直径，单位为mm；t为预埋件的预埋钢板厚度，单位为mm。

34、节点的施工过程包括如下步骤：

35、（1）箱型钢柱的柱脚加工。箱型钢柱底部与钢柱脚底板采用坡口全熔透焊缝连接；钢柱脚加劲肋与钢柱侧壁及钢柱脚底板之间采用角焊缝连接；钢柱脚底板上根据设计在相应位置设置螺栓孔；箱型钢柱及其柱脚在钢结构加工厂焊接拼装完成。

36、（2）预埋件的加工及其在基座中预埋设置。预埋钢板与锚筋的连接采用t形焊接，当锚筋直径不大于20mm时宜采用压力埋弧焊，当锚筋直径大于20mm时宜采用穿孔塞焊。预埋钢板上根据设计在相应位置设置开孔，将预埋螺栓穿过预埋钢板上的预留开孔后，采用熔透焊的方式将预埋螺栓与预埋钢板焊接连接。预埋螺栓及锚筋在预埋钢板下方的长度（埋入基座中的长度）应根据相应的锚固长度要求来确定。预埋钢板、锚筋及预埋螺栓组成预埋件。箱型钢柱的基座混凝土浇筑前，将加工好的预埋件进行定位预埋。预埋螺栓穿过并伸出预埋钢板上方，用于安装固定箱型钢柱脚。

37、（3）箱型钢柱的柱脚与基座的安装就位。将在工厂加工好的箱型钢柱吊装至预埋于基座的预埋件处，使预埋件预埋钢板上部的预埋螺栓穿过钢柱脚底板上根据设计在对应预埋螺栓位置设置的螺栓孔，钢柱脚底板设置的螺栓孔直径需比预埋螺栓的直径大5mm，以便于安装时调整施工误差。箱型钢柱安装就位后，在穿过钢柱脚底板的预埋螺栓上套上钢垫板并与钢柱脚底板用角焊缝焊牢，之后再在预埋螺栓上拧紧双螺母。最后将箱型钢柱的钢柱脚底板与基座处预埋件的预埋钢板之间采用角焊缝四面围焊。改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚安装完成。

38、本发明的优点：

39、1、相对于常用的外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋锚栓组成柱脚），本发明提供的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点的改进之处在于设置了由预埋钢板、锚筋及预埋锚栓组成的预埋件，预埋件预埋于混凝土基座中，箱型钢柱通过柱脚底板与预埋件连接，将柱底内力通过预埋件传至混凝土基座。箱型钢柱的钢柱脚底板与基座处预埋件的预埋钢板之间采用角焊缝四面围焊，钢柱弯矩作用受拉边的角焊缝可与预埋锚栓共同承受拉力。因此本发明提出的改进连接节点在不增加预埋螺栓数量的情况下，可有效提高柱脚连接节点的抗震极限受弯承载力；可有效避免为满足抗震极限受弯承载力验算而需排布更多数量的预埋螺栓导致钢柱脚底板需扩大；可有效避免钢柱脚底板扩大后需采取增设靴梁等提高底板刚度的措施，使得钢柱脚连接节点的设计及构造较为复杂且整个外露式刚接柱脚所占用的空间较大等一系列问题。提供改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点具有构造简单、传力明确、方便施工等特点。

40、2、针对上述改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点，对应提供该柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算方法。国标《高层民用建筑钢结构技术规程》(jgj99-2015)，关于柱脚连接节点“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算）要求应满足，为钢柱的全塑性受弯承载力，为柱脚连接节点抗震极限受弯承载力。本发明提供的改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点，相对于传统常用的柱脚连接方式，设置了由预埋钢板、锚筋及预埋螺栓组成的预埋件，预埋件预埋于混凝土基座中，箱型钢柱通过柱脚底板与预埋件的连接，将柱底内力通过预埋件传至混凝土基座。箱型钢柱柱脚与混凝土基座的连接包括“柱脚与预埋件的连接”以及“预埋件与混凝土基座的连接”两个部分。因此，对应于此种改进的外露式刚接柱脚抗震连接节点的抗震极限受弯承载力验算方法需分别计算及，为箱型钢柱柱脚与预埋件连接的抗震极限受弯承载力，为预埋件与混凝土基座连接的抗震极限受弯承载力。当满足以及，即符合国标《高层民用建筑钢结构技术规程》(jgj99-2015)的要求，满足“强节点、弱构件”设计原则（即柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算）。该验算方法的受力分析明确，严格遵循现行相关技术规范的概念及理论，且有较好的可操作性。

41、3、本发明提供改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及其抗震极限受弯承载力验算方法，可有效的解决现行相关技术规范以及技术手册中给出的常用外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋螺栓组成柱脚）难以满足“强节点、弱构件”设计原则（即柱脚连接节点难以满足抗震极限受弯承载力验算）的问题，具备推广运用的价值。