国家能源集团安徽省化工设计院安徽省合肥市230000
摘要：本文通过详细对比各种钢结构柱脚的构造形式和受力特点，介绍了某乙二醇装置中各钢结构采用插入式柱脚的设计过程。希望同大家共同探讨。
关键词：钢结构；柱脚
一：工程采用钢结构还是其它结构的选择
钢结构是用钢板、热轧型钢或者令加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其他的材料相比，钢结构具有以下特点：（1）材料强度高、塑性和韧性好；（2）材质均匀，和力学计算假定比较符合；（3）质量轻，制造简单；（4）施工工期短而且精度高，易于施工（5）适合大跨度、高层及超高层、不规则结构等；（6）易于拆迁改造和加固；（7）耐腐蚀性能差和耐热但不耐火等（工程中常采用涂抹防腐涂料及防火披覆处理）。钢结构以其显而易见的优缺点，在建筑结构中占有越来越重要的地位。石化项目中，因生产工艺、设备、管道布置决定了各设备框架的结构形式和平立面布置，且其设备布置复杂，荷载大，管道直径大且数量多等因素，经常需要大空间、大跨度，而且石化项目投资巨大，考虑到资金成本和资金回收周期等因素，使得钢结构的优势更为突出，因而在方案选择时，钢结构经常是业主的优先选择。本乙二醇装置也是基于上面各种考虑，确定装置内各设备框架及装置管廊均采用钢结构形式。
二：钢柱柱脚的重要性
在钢结构中，上部结构荷载通过钢柱传给钢柱脚，再有柱脚传递给基础，在结构中起“承上启下”的作用，对整个结构的安全具有十分重要的意义，在设计、制造、安装阶段都要引起足够的重视。作为钢结构的柱脚，亦即钢柱与钢筋混凝土基础或基础梁的连接节点，设计时必须根据各种柱脚的受力特点及构造要求综合分析进行选择，且设计时应考虑到施工的方便性、可操作性、安全性，从而使上部结构的各种荷载可靠的通过柱脚传给基础，以保证工程质量。
三：乙二醇装置柱脚刚接、铰接的选择
柱脚按结构的受力特点，分为铰接柱脚和刚接柱脚。
铰接柱脚只能传递垂直力和水平力，柱脚锚栓仅作安装过程的固定之用，构造简单，传力明确；刚接柱脚除了承受轴心压力和水平剪力之外，还要承受弯矩，受力和构造比较复杂。
本乙二醇装置中，有碳酸酯框架、精制单元框架、酯化单元框架、加氢单元框架、尾气处理框架、羰化单元框架及部分管廊，设备荷载大，管道直径大，且工艺专业希望框架尽量少的打支撑，按照基础设计和工艺及配管专业要求的做法，各单体钢框架采用弱轴铰接、强轴刚接的结构形式，这样，柱脚铰接的形式就不能采用，必须采用柱脚刚接。
四：常用刚接柱脚的形式及特点
常用刚接柱脚分为：刚性固定外露式柱脚（a）、（b）刚性固定埋入式柱脚（c）、刚性固定外包式柱脚（d）及插入式柱脚（单肢实腹柱e）（双肢格构柱f）,其图形如下：
1：刚性固定外露式柱脚特点：（1）主要由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支撑托座等组成，各部分的板件都应具有足够的强度和刚度，而且相互之间应有可靠的连接。（2）为满足柱脚的嵌固，提高其承载能力和变形能力，柱脚底部在形成塑性铰之前，不容许锚栓和底板发生屈曲，也不容许混凝土被压坏（3）柱脚锚栓在柱脚弯矩作用下承受拉力，同时作为安装固定之用，在设计柱脚锚栓时，应使锚栓的屈服在底板和柱构件的屈服之后且留有一定富裕，同时应考虑使用坏境；柱脚锚栓应有足够的埋置深度，当埋置深度受限时，增设锚板和锚梁；且柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力，（4）柱脚底板尺寸和厚度应根据柱端弯矩、轴心力、底板的支撑条件和底板下混凝土的反力以及柱脚构造确定。（5）满足《建筑抗震设计规范》8.2.8.5条、9.2.16条，《构筑物抗震设计规范》1.0.4条及7.5.3.2条计算规定。
2：刚性固定埋入式柱脚特点：（1）刚性固定埋入式柱脚是直接将钢柱埋入钢筋混凝土基础或基础梁的柱脚，埋入方法有两种：一是预先将钢柱脚按要求组装固定在设计标高上，然后浇灌基础或基础梁混凝土；另一种是预先按要求浇灌基础或基础梁的混凝土，在浇灌混凝土时，按要求留出安装钢柱脚的插入杯口，待安装好钢柱脚后，再用混凝土等级比基础高一级的混凝土灌实。（2）埋入式柱脚中，钢柱的埋入深度是影响柱脚的固定度、承载力和变形能力的重要因素，一般对轻型工字型柱：Sd≥2.0hc;对大型截面H型钢柱和箱型截面柱及圆管型截面柱：Sd≥3.0hc，3.0D。（3）为防止钢柱的局部压屈和局部变形，在钢柱向混凝土基础或基础梁传递水平压应力最大值附近，设置水平加劲肋（4）为防止基础或基础梁中混凝土早期的压坏和剪坏，应配置补强钢筋，合理地确定钢柱周边的钢筋混凝土保护层厚度及配筋。其中，配筋（主筋及箍筋）应根据柱脚底部弯矩和剪力按现行国家标准《混凝土结构设计规范》计算，并应符合相关的构造要求；混凝土保护层厚度根据《钢结构设计标准》GB50017第12.7.8.1的规定，边列柱翼缘或管柱外边缘至基础梁端部的距离不小于400mm，中间柱翼缘或管柱外边缘至基础梁边相交线的距离不应小于250mm（5）柱脚底板的尺寸和厚度应按安装阶段荷载作用下轴心力、底板的支撑条件计算确定，同时应满足规范规定的构造要求。（5）柱脚底板的尺寸和厚度应按安装阶段荷载作用下轴心力、底板的支撑条件计算确定，同时应满足规范规定的构造要求。（6）根据规范及施工的相关要求，埋入式柱脚属于钢和混凝土的组合结构，内力传递复杂，柱脚锚于基础短柱内，且柱脚底板须位于基础保护层内，施工复杂，埋入式柱脚适用于高层钢结构。
3：刚性固定外包式柱脚特点：（1）刚性固定包角式柱脚，就是按一定的要求将钢柱脚采用钢筋混凝土包起来的，外包式柱脚底板应位于基础梁或筏板的混凝土保护层内。（2）设计柱脚的包角混凝土部分时应注意，包角混凝土的弯曲屈服在先，剪切屈服在后，其极限抗弯承载力应高于钢柱的全塑型弯矩；在基础梁形成塑性铰时，尚未达到其极限承载力。（3）与埋入式柱脚一样，外包式柱脚的钢筋混凝土包脚高度、截面尺寸和箍筋配置（特别是顶部加强箍筋），对柱脚的内里传递和恢复力特性起着重要的作用。设计时应使混凝土的包角有足够的高度和足够的保护层厚度，并要适当配置补强钢筋，且其细部尺寸尚应满足构造上的要求。（4）根据《钢结构设计标准》GB50017第12.7.7.1的规定：钢柱混凝土保护层厚度：对H形截面柱不宜小于160mm，对矩形管柱及圆管柱不宜小于180mm，同时不宜小于钢柱截面高度的30%；钢柱柱脚混凝土外包高度：对H型截面柱：Sd≥2.0hc；对矩形管柱及圆管柱:Sd≥2.5hc或2.5D(hc为矩形管柱的长边尺寸,D为圆管直径）且没有地下室时，外包宽度和高度应增加20%；仅有一层地下室时，外包宽度宜增大10%。（5）柱脚底板的尺寸和厚度应按安装阶段荷载作用下轴心力、底板的支撑条件计算确定，同时应满足规范规定的构造要求。（6）根据规范及施工的相关要求，外包式柱脚属于钢和混凝土的组合结构，内力传递复杂，柱脚锚于基础短柱内，且柱脚底板须位于基础保护层内，施工复杂，外包式柱脚常用于高层钢结构。
4：插入式柱脚特点：（1）插入式柱脚，就是钢柱直接插入已浇筑好的混凝土杯口基础内，经校准后用细石混凝土浇灌至基础顶面，使钢柱与基础刚性连接。（2）插入式柱脚利用混凝土与钢柱之间的粘结力传递柱底内力，对混凝土施工较为严格，其构造简单，安全可靠并可减少柱脚用钢量。但对沉降较大的软土地基不宜采用，（3）钢柱插入杯口的最小深度：实腹柱Sd≥1.5hc或1.5D；双肢格构柱（单杯口或双杯口）Sd≥0.5hc和1.5bc（或D）的较大值。对实腹柱，hc为H型柱的矩形管柱的截面高度（长边尺寸），bc为截面宽度，D为圆管柱的外径；对格构柱：hc为两肢垂直于虚轴方向最外边距离，bc为沿虚轴方向的柱肢宽度；（4）双肢格构柱插入混凝土基础杯口的最小深度不宜小于500mm，宜不宜小于吊装时柱长度的1/20。实腹式柱柱底至杯口底的距离不应小于50mm，当有柱底板时，其距离可采用150mm。（5）杯口基础的杯壁应根据柱底部内力设计值作用于基础顶面配置钢筋，杯壁厚度不应小于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定。
五：刚性固定外露式柱脚、刚性固定埋入式柱脚、刚性固定外包式柱脚及插入式柱脚的计算特点及假定：
1：刚性固定外露式柱脚计算假定：（1）柱脚极限承载力不宜小于柱截面塑性屈服承载力的1.2倍；（2）柱脚锚栓不宜用以承受柱底水平剪力，柱底剪力应由钢底板与基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键及其他措施承担。
（c）（d）
2：埋入式柱脚计算假定：基于埋入式柱脚内力传递的复杂性，在进行柱脚的细部设计计算时，采用如下假定：（1）轴心压力N由钢柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；（2）全部弯矩M由焊于钢柱翼缘的抗剪圆柱头栓钉传给钢筋混凝土基础或基础梁；（3）柱脚顶部的水平剪力V由埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土承压力来传递；（4）不考虑埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁混凝土在承压应力状态下，由于钢柱翼缘与混凝土的摩擦产生的抵抗力；（5）不考虑埋入的钢柱翼缘与基础基础梁混凝土的粘结作用；6）在确定包脚部分钢柱周边的垂直纵向主筋的配置时，不考虑钢柱承担弯矩M。
3：外包式柱脚计算假定：（1）轴心压力N由钢柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；（2）弯矩M由焊于钢柱翼缘的抗剪圆柱头栓钉传给包脚部分的钢筋混凝土，并通过包脚部分的钢筋混凝土基础或基础梁；（3）包脚处顶部的水平剪力V由包脚混凝土和水平箍筋共同承担；（4）在确定包脚部分钢柱周边的垂直纵向主筋的配置时，不考虑钢柱承担弯矩M。
4：插入式柱脚计算假定：（1）插入式柱脚的内力（轴心力N、水平力V和弯矩M）一般由钢筋混凝土直接承受，钢柱柱脚需满足插入的深度要求；（2）对实腹柱作用于柱底的轴心压力，假定仅由粘结力传递；（3）作用于柱底的弯矩，假定由插入钢柱翼缘与混凝土基础的承压力传递，忽略柱腹板粘结力的影响；（4）对格构式柱通长采用的双杯口基础，柱底下设有钢底板。应按受拉柱肢及受压柱肢分别进行计算。并且需对受压柱肢下的基础混凝土进行冲切强度验算。5）通过钢柱侧面混凝土的支撑反力形成的抵抗弯矩和承压高度范围内混凝土的抗力与钢柱的弯矩和剪力平衡计算，得出保证钢柱与基础刚性连接的插入深度。
六、采用插入式柱脚的原因
1.根据《建筑抗震设计规范》9.2.16条、附录H中H.2.8条，《钢结构设计标准》12.7.1条等规范规定，多高层结构框架柱的刚接柱脚优先采用埋入式、插入式或外包式柱脚。
2.根据上述比较刚性固定埋入式柱脚、刚性固定外包式柱脚及插入式柱脚特点及假定可发现，外包式柱脚属于钢和混凝土的组合结构，内力传递复杂，柱脚锚于基础短柱内，且柱脚底板须位于基础保护层内，施工复杂；埋入式柱脚适用于高层钢结构，柱脚锚于基础内，混凝土须一次性浇筑，定位校正难度大，施工比较复杂。综合这三种刚性柱脚，采用插入式柱脚比较合适。
3.插入式柱脚相对外露式柱脚刚性大，更符合计算假定，地震作用下更加安全，基础预留杯口，后续钢柱定位校正简单；且国内对插入式柱脚进行了实验研究，并在单多层工业厂房及房屋工程中得到使用，效果很好。外露式柱脚作为半刚性考虑更加合理，且外露式柱脚混凝土柱头外露，混凝土柱头截面大，影响美观。
4.若采用外露式柱脚设计，根据《建筑抗震设计规范》8.2.8.5条、9.2.16条，《构筑物抗震设计规范》1.0.4条及7.5.3.2条计算规定，柱脚的极限受弯承载力计算难以满足要求。
5.本乙二醇装置场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组第一组，装置场地天然地基持力层为细砂，场地稳定，适合采用插入式柱脚；且详细设计开始阶段，结构专业与其他公司专家进行了结构方案论证，结合规范和各个公司以往的设计经验，以及项目的初步设计，初步决定采用刚性固定插入式柱脚。
七、经济性比较
以装置区羰化单元HW400钢柱为例进行比较:
柱脚钢材用量：
外露式柱脚(未考虑上述6.4条的计算要求)：
柱脚锚栓：10M30,长990mm，重390kg
锚栓垫板：10-110x110x30，重28.5kg
柱脚底板：850x1100x36，重264kg
柱脚加劲板：10-500x320x12，重151kg
共计：833kg
插入式柱脚：插入深度取3倍柱高1.2米计算，重：207kg
柱脚底板：450*450*30重48kg
加劲板：400*200*2*20重32kg
共计：287kg
钢材用量比较：插入式柱脚比外露式柱脚节省546kg
柱脚混凝土用量（按基础埋深2.5m，基础高度0.7计算）：
外露式柱脚：混凝土量（1050x1300x1800）：2.457m³
插入式柱脚：混凝土量1.965m³，素混凝土包裹量0.144m³，
插入式柱脚混凝土量共2.109m³。
混凝土用量比较：插入式柱脚比外露式柱脚节省0.348m³。
若考虑上述6.4条（满足《建筑抗震设计规范》8.2.8.5条、9.2.16条，《构筑物抗震设计规范》1.0.4条及7.5.3.2条计算规定）的计算要求，则上述经济行比较中外露式柱脚计算不能满足要求。
通过上述计算比较可以看出，若采用刚性固定外露式柱脚，钢柱柱脚螺栓直径大、数量多、柱脚底板厚，柱脚加劲数量多，且计算难以满足；与插入式柱脚相比，虽然钢柱构件本身的材料节省，但附属构件（柱脚螺栓、柱脚底板、柱脚加劲肋、垫板、螺母等）的钢材用量会增加。总体用料上，无论钢材用量还是混凝土用量，插入式柱脚均比外露式柱脚节省。且通过上述外露式柱脚以及插入式柱脚的柱脚特点以及计算假定可以看出，插入式柱脚无论是从柱脚刚度、施工难易程度、柱脚安全性、及钢材量上，均优于外露式柱脚。
故乙二醇项目从设计、施工角度出发，综合考虑安全、经济等方面并结合专家论证以及集团钢结构技术规定，最终采用刚性固定插入式柱脚作为本装置的柱脚形式。
参考文献：
《钢结构设计标准》GB50017
《钢结构连接节点设计手册》
《建筑抗震设计规范》GB50011