钢管柱对接焊接顺序要求有哪些

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。

对于施工前：预先可以在混凝土柱顶部预埋连接件（预埋铁或地脚螺栓）；或者，将钢管深入柱内一定的长度，浇注混凝土时锚固牢固。

对于施工后加层：在柱顶植入地脚螺栓。

无论上述何种方法，都应在有正规设计的构造大样图前提下实施。

②在钢管上设置4个钢筋笼与钢管铰接环孔，环孔用Φ22钢筋或16~20mm钢板制成，该孔的位置在钢管标志红线上方1000mm，平面位置则在X、Y方向对称布置（钢管顶部设置横梁中心线）。

③在钢筋笼最顶部加劲箍处设置双拼Φ16mm加强箍，加强箍与主筋焊接，并设置4个吊环与主筋、加强筋焊接（制作钢筋笼时做好）。吊环采用Φ22mm钢筋，该4个吊环与钢管上4个环孔错位45o。

④钢管底吊放入钢筋笼4.1m后,用钢丝绳按螺旋顺序依次串联钢管（环孔）与钢筋笼（吊环），并用钢丝绳夹连接。连接完成后起吊钢管，使钢丝绳处于受力状态，检查钢管与钢筋笼间隙、钢管标高，计算出钢管应在调垂架平面哪个位置。

⑤钢管继续调垂并下放,快下放完毕时，根据上一步计算出的钢管应在调垂架平面哪个位置处画出红线，然后将钢管下放到位。钢管上口中心位置和标高偏差控制在10mm以内。

在钢管柱下放的同时注意连接注浆管及声波管等检测用管道，并设置环箍保护。

1 多高层钢结构住宅的结构体系多高层住宅建筑的钢结构体系与传统的砖混结构体系、混凝土结构体系有很大的不同，它主要由承重钢结构体系、楼面结构体系和围护结构体系等组成。1.1 承重钢结构体系1.1.1 体系的分类（1）钢框架结构体系。其特点是受力明确，平面布置灵活，为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀，具有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好，结构简单，构件易于标准化、定型化，施工速度快.但框架结构属典型的柔性结构体系，其侧向刚度差，易引起非结构构件的破坏。（2）钢框架-支撑结构体系。为了提高钢框架的侧向刚度，有效地抵抗水平荷载，减少层间位移，通常在墙体平面内布置由角钢或槽钢构成的垂直支撑体系，当房屋较高时，较纯框架经济。支撑设置的位置要合适，为了与建筑设计相协调，一般布置在窗台下至下层窗顶之间，既隐蔽又能满足支撑体系的需求。考虑到门窗的布置，可采用 W 形、X 形、K 形、人字形和门式等形式。支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况调整支撑的数量、形式和刚度。为了有效地提高钢框架的侧向刚度，支撑应沿建筑物同一平面四周环向封闭布置，以形成一个封闭的加强箍。偏心支撑在地震作用下具有较好的延性和耗能性能，可在强震区采用。（3）交错桁架结构体系。由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成，桁架高度等于层高，在相邻柱上为上下层交错布置，楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两开间布置一榀桁架，且中间无柱子，所以非常适合要求各单元灵活布置的住宅、旅馆建筑[2]。同时，因为桁架隔层布置，减小了桁架弦杆引起的局部弯矩，使柱在框架平面内的弯矩很小，主要受轴力，有利于减小柱的断面尺寸，框架的横向刚度大，侧向位移小。1.1.2 适用范围（1）3 层及以下的低层住宅：①轻型钢框架结构体系；②冷弯薄壁型钢密排柱（轻钢龙骨，C 形或 Z 形檩条）结构体系。（2）4～6 层多层住宅：①钢框架结构体系；②钢框架-支撑结构体系；③钢框架-混凝土剪力墙结构体系。（3）7～12 层中高层住宅：①钢框架-支撑结构体系；②钢框架-混凝土核芯筒结构体系。（4）13～30 层高层住宅：①钢框架-支撑结构体系；②钢框架-抗剪桁架结构体系；③钢框架-混凝土核芯筒结构体系；④钢框架-带竖缝预制混凝土剪力墙结构体系；⑤钢框架-抗剪钢板剪力墙结构体系。1.1.3 设计原则承重钢结构体系的结构设计宜遵循强柱弱梁、强节点弱构件的一般设计原则，在具体设计时，若较难满足强柱弱梁的设计公式，则满足轴压比要求也可。框架主梁的材料一般可选用热轧或高频焊接 H 型钢，次梁可以有多种作法。框架柱子的材料一般可选用热轧或焊接工字钢、H 型钢、方（箱形）钢管、圆钢管或冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢。为了节约钢材，降低造价，框架柱也可采用在空钢管内浇筑高强素混凝土而形成的钢管混凝土框架柱。由于钢管混凝土柱结合了钢柱与混凝土柱的优点，具有良好的受力性能、抗震性能和耐火性能。其单柱的轴向承载力大幅提高，使钢柱截面尺寸大幅减小。与 H 型钢柱相比，用钢量可节省约 50％，造价约降低 45%[4]。1.1.4 连接形式框架横梁与柱在强轴方向适于采用刚性连接；而在弱轴方向宜结合支撑布置采用钢管柱设计方案。钢框架梁柱节点连接的构造形式为：①螺栓连接；②焊接连接；③栓、焊混合连接。焊接节点的连接刚度大，混合节点次之，螺栓节点的连接刚度较小，但螺栓连接的安装施工速度最快，且在现场拼接和安装时，施工质量容易保证。主梁与次梁之间一般也采用铰接，在连接构造上以焊接和高强度螺栓连接为主，也可采用栓、焊混合的连接方式：梁腹板用高强度螺栓连接，翼缘用焊接，可先用螺栓安装定位，再对翼缘施焊。1.2 楼面结构体系楼面结构由钢梁和楼面板组合而成。楼盖除了将竖向荷载直接分配给墙、柱外，更主要的作用是参与并保证和抗侧结构的空间协同作用。因此，必须保证楼盖有足够的强度、刚度和整体稳定性，同时应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度。作为民用住宅的楼面结构，楼板还应具有较好的隔热、隔声、保温、防水和防火性能。为了保证钢梁的整体稳定性，楼面主、次梁应采取紧凑型构造措施。目前主要采用的楼板形式如下：（1）压型钢板-现浇混凝土组合楼板。整体分析时要考虑组合楼板的各向异性对框架梁的影响：①根据楼板设置情况确定是连续板或简支板、传力路径是单向还是双向；②组合钢梁是按强边还是弱边组合造成的刚度差异；（2）预制预应力混凝土叠合楼板。即钢梁与预制预应力混凝土薄板连接，上浇混凝土薄板以组成叠合楼板。由于这种楼板不仅具有现浇组合楼盖的整体性，还可以省去压型钢板，也无需支模，施工方便，可降低楼板造价，应为首选。1.3 围护结构体系内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的 30%，对钢结构住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求，故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板（ALC板）、SRC 复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ALC 轻质砌块、轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。ALC 板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性，非常适合与钢结构配套使用，使用 250mm 以上厚度的 ALC 板作为外墙，可达到节能 50%的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔音等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外，还具有抗震、透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙。屋盖系统尽量采用有檩体系，屋面材料可与楼面相同，也可采用彩色压型钢板防水屋盖，该屋盖系统既具备了良好的防水防腐效果，又起到了屋面的隔热保温作用，丰富了建筑物的外部造型。如洁面彩色涂层压型钢板屋面系统，具有如下特点：①屋面无明钉，防水性能极佳，可做成大小头，适应屋面的复杂变化，且可自由伸缩；②板肋较低，采用卷边方式固定；③惯性矩小，易做成三维曲面板，屈服强度为 300MPa；④造价适中；⑤适用板材：钢板、铝板、铜板、钛锌板等，其中尤以钢板的造价最经济。彩涂板本身具有良好的防水性，不会漏水，产生漏水的主因是压型钢板、夹芯板板缝处理不好。2 钢结构住宅的特点和综合效益（1）结构轻质高强，抗震性好，工程造价低。钢材的抗拉、抗剪强度相对较高。钢结构住宅可以充分发挥钢材自重轻、强度高、延性好、塑性变形能力强、抗震性能好的特点，不仅所受的重力和地震作用小，从而减小梁、柱截面尺寸，节约钢材，而且还可以降低造价和运输安装费用。（2）外部造型美观，空间布局灵活，建筑功能增强。由于钢材轻质高强的特点，便于形成大柱距、大开间的建筑空间，灵活地分隔和布置室内的分区，更好地满足现代住宅建筑的使用功能要求，与砖混结构或混凝土结构相比，其有效使用面积可提高 10～15％。建筑造型可丰富多彩，也可简洁明快。（3）易于改造，管线布置方便。钢结构的内部分割、接高、加固等较为灵活。钢梁的腹板允许穿越小于一定直径的管线，加之结构空间的孔洞与空腔，使管线布置、更换、修理方便。（4）符合节能环保要求。钢结构住宅建筑所用材料主要是环保型绿色可回收或易降解的材料，在建筑物需拆除时，钢材可全部回收利用，大大减少了建筑垃圾。

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