董海印　王梅亮

摘????? 要：石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)形式被大量使用，柱腳作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的一部分應(yīng)該得到足夠的重視。石油化工行業(yè)中最為常用的柱腳形式為外露式鋼接柱腳，其構(gòu)成主要包括柱腳底板、地腳螺栓、靴板、加勁肋、墊板、開孔等幾大部分。結(jié)合石油化工行業(yè)特點，對上述柱腳的各組成部分進行詳細的分析及研究，使石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計更加合理、規(guī)范。

關(guān)? 鍵? 詞：石油化工;鋼結(jié)構(gòu)外露式柱腳;鋼接柱腳

中圖分類號：TU 318?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1501-04

Design of Exposed Fixed Column Base in Petrochemical Industry

DONG Hai-yin， WANG Mei-ling

（CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang Liaoning 110167， China）

Abstract： Steel structure is widely used in petrochemical industry. As an important part of steel structure design， the column base should be paid enough attention. The most common form of column foot in petrochemical industry is exposed fixed column base， its main contents include baseboard， anchor bolt， boot plate， stiffener， bearing plate and round hole. In this paper， these parts were analyzed and researched based on the characteristics of petrochemical industry， in order to make the steel structure column design more reasonable and normal.

Key words： Petrochemical industry; Exposed column base; Fixed column base

1? 石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)外露式柱腳的重要意義及使用現(xiàn)狀

1.1? 鋼結(jié)構(gòu)柱腳的重要性

在石油化工行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)占到了60%以上，常見的結(jié)構(gòu)單體如：冷換構(gòu)架、反應(yīng)器構(gòu)架、樓梯間、裝置管廊、系統(tǒng)管廊等，而鋼柱腳是上部主體鋼結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的重要連接節(jié)點，柱腳將上部的荷載（軸力、剪力、彎矩）有效地傳遞至基礎(chǔ)，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，同時柱腳的形式也直接影響到結(jié)構(gòu)整體的內(nèi)力分布與變形性能，故鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)破壞的案例中鋼結(jié)構(gòu)柱腳的破壞占有很大的比例，特別是在風(fēng)荷載和地震荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)發(fā)生大的水平和豎直方向的變形，導(dǎo)致柱腳受到很大彎矩和剪力，從而造成柱腳錨栓斷裂、底板在錨栓邊緣被拉斷、柱腳焊縫撕裂等節(jié)點破壞情況^[1]，如圖1所示，進一步導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)的嚴重破壞或者倒塌，所以鋼結(jié)構(gòu)柱腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)得到足夠的重視。

1.2 ?石油化工行業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)柱腳的使用現(xiàn)狀

目前鋼結(jié)構(gòu)柱腳根據(jù)其所處的位置分為外露式柱腳、外包式柱腳、埋入式柱腳、插入式柱腳4種;按照受力情況分為鉸接柱腳（不可以傳遞彎矩）、鋼接柱腳（可以傳遞彎矩）兩大類^[2]。外露式鋼接柱腳以其安裝方便、可以有效縮短施工期以及造價低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用到石油化工鋼結(jié)構(gòu)中。在石油化工行業(yè)中80%以上的鋼結(jié)構(gòu)均采用這種柱腳形式，但是目前外露式鋼接柱腳的規(guī)范化情況不太理想，經(jīng)過作者現(xiàn)場實際情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)雖然同樣為外露式鋼接柱腳，但各設(shè)計院做的節(jié)點樣式有很大不同，甚至同一設(shè)計單位的不同設(shè)計人員的柱腳節(jié)點樣式也各式各樣，而且其中有很多的柱腳節(jié)點根本不符合相關(guān)的計算及構(gòu)造規(guī)定，如圖2所示。

通過實際情況可以看出，柱腳節(jié)點目前沒有得到設(shè)計人員的充分重視，設(shè)計人員把大量的精力投放到了上部鋼結(jié)構(gòu)的截面計算中而輕視了柱腳節(jié)點的設(shè)計，嚴重違背了目前《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010中要求的“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在很大的安全隱患^[3]，所以有必要對外露式鋼接柱腳的設(shè)計進行詳細的梳理。

2? 外露式鋼接柱腳的設(shè)計

柱腳的設(shè)計應(yīng)符合傳力可靠，減少應(yīng)力集中，便于制作、運輸和安裝的總體原則，且滿足柱腳節(jié)點的承載力設(shè)計值不小于下段柱的承載力設(shè)計值。外露式柱腳還應(yīng)采取構(gòu)造措施防止積水、積灰，并采取可靠的防腐、防火措施。常用的外露式鋼接柱腳主要由以下幾部分組成：柱腳底板、地腳螺栓、抗剪鍵、靴板、隔板、肋板、墊板、開孔。下面本文將結(jié)合實際情況分別對柱腳的各組成部分進行詳細的說明。

2.1? 柱腳底板的設(shè)計及構(gòu)造要求

柱腳底板是柱腳計算中的關(guān)鍵，底板的強度直接決定了柱腳節(jié)點的安全性。柱腳底板及其連接板除了應(yīng)滿足柱腳向基礎(chǔ)傳遞內(nèi)力的強度要求外，還需要滿足承受基礎(chǔ)反力和錨栓抗力作用的能力。計算時可以假定柱腳為鋼體，基礎(chǔ)反力呈線性變化^[4]。底板的寬度B可以按公式（1）進行確定：

B =b +2t +2c（1）

式中：b —柱截面寬度;

t—靴梁的厚度，一般取柱翼緣的厚度，且≮10 mm;

c—底板伸出靴梁外的寬度，一般≮20～30 mm。

底板的長度L需滿足公式（2）的要求：

（2）

式中：N、M—柱下端的框架組合內(nèi)力即軸心力和相應(yīng)的彎矩;

f_C—混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，當(dāng)計入局部承載的提高系數(shù)時可按規(guī)定進行放大。

柱腳底板的厚度t可以按公式（3）進行計算：

??? ?????????（3）

在基礎(chǔ)反力的作用下，各區(qū)格單位寬度上彎矩的最大值，當(dāng)錨栓直接錨在底板上時取區(qū)格彎矩和錨栓產(chǎn)生彎矩的較大值;

?f 鋼結(jié)構(gòu)屈服強度設(shè)計值。

各區(qū)格的彎矩應(yīng)該根據(jù)區(qū)格的四邊支承情況和區(qū)格底板下部的平均應(yīng)力進行計算。

除了按上述的公式計算確定外，柱腳底板的厚度還應(yīng)滿足一定的構(gòu)造要求：底板厚度不應(yīng)小于20 mm，也不宜大于100 mm，當(dāng)?shù)装搴穸却笥?0 mm時應(yīng)采用厚度方向性能鋼材。

2.2? 地腳螺栓的計算及構(gòu)造

錨栓是連接柱腳節(jié)點和混凝土基礎(chǔ)的關(guān)鍵構(gòu)件，錨栓在柱腳節(jié)點中的主要作用是承受上部結(jié)構(gòu)和彎矩產(chǎn)生的拔力，一般對稱布置在較大彎矩作用的方向上（柱子的強軸方向）。錨栓的計算應(yīng)選取最不利的荷載組合，一般情況下為M最大而N相應(yīng)較小的組合^[5]，該組合可以使底板在最大的范圍內(nèi)產(chǎn)生底部拉力，如圖3所示。

當(dāng)偏心距? 時，單個受拉錨栓有效截面積可按公式（4）進行計算：

???? ????（4）

式中： M、N —柱下端的框架組合中最大彎矩和其對應(yīng)的軸心力;

錨栓抗拉強度設(shè)計值;

n —柱一側(cè)的錨栓數(shù)量;

x —底板一側(cè)壓應(yīng)力分布長度，應(yīng)采用使其產(chǎn)生最大拉力的組

合彎矩和相應(yīng)的軸力。

錨栓在混凝土基礎(chǔ)中錨固的長度應(yīng)根據(jù)承載力的需求和基礎(chǔ)混凝土的強度等級來確定，一般情況下為25 d，當(dāng)錨固長度較長或者埋深受限時，可設(shè)置錨板。錨栓距離基礎(chǔ)邊緣不宜太近，否則容易造成混凝土的劈裂破壞，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對錨栓邊距的構(gòu)造要求一般不小于150 mm。

2.3? 抗剪鍵的計算

柱腳錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力，此水平反力首先通過柱腳底板與混凝土接觸面之間的摩擦力傳遞給基礎(chǔ)混凝土，但當(dāng)柱腳承受的水平力大于該摩擦力時，需要設(shè)置抗剪鍵來抗剪。在實際應(yīng)用中常采用H型鋼或者槽鋼，將抗剪鍵焊接在底板的下面，柱子的水平力由底板傳遞給焊縫再傳給抗剪鍵，抗剪鍵通過承壓傳遞給周圍的混凝土。抗剪鍵能否起到抗剪作用其埋深起到關(guān)鍵的作用，抗剪鍵埋深應(yīng)能保證混凝土達到破壞時的承載力大于柱腳承受的水平力，其埋深h可按公式（5）進行計算：

??????????? （5）

式中：V —柱腳剪力設(shè)計值;

混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值;

b 抗剪鍵寬度。

2.4 ?靴腳板、肋板、墊板、開孔等構(gòu)造要求

當(dāng)鋼接柱腳承受的荷載比較大時一般應(yīng)設(shè)置靴板，靴板可設(shè)計成單腹壁或者雙腹壁。靴板的高度一般由計算確定，但不宜小于300 mm，其厚度不宜小于柱子翼緣的厚度，且應(yīng)符合梁腹板的構(gòu)造要求，靴板一般貼焊于柱子翼緣上，也可以與柱子翼緣或者腹板等強對接焊接。

肋板是劃分柱腳底板區(qū)格的重要組成部分，肋板的設(shè)置直接影響了底板區(qū)格的大小及支承情況，從而影響底板的區(qū)格彎矩。肋板的截面應(yīng)根據(jù)柱腳反力由計算確定，反力取其承受底板下混凝土基礎(chǔ)反力，按懸臂支撐得到的剪力和錨栓拉力產(chǎn)生的剪力中的較大值。肋板的厚度不宜小于12 mm，并應(yīng)與柱的板件厚度和底板厚度相協(xié)調(diào)，其高度一般與靴板等高或者取靴板高度的三分之二。

墊板放置于底板的上方，為地腳螺栓的螺帽與底板間的傳力構(gòu)件，墊板設(shè)計時切不可與底板下方鋼柱安裝時找正用的墊鐵^[6]弄混淆。墊板的大小應(yīng)根據(jù)螺帽的直徑確定，一般應(yīng)比螺帽直徑大20 mm以上，厚度取螺栓直徑的0.4～0.5倍，且≮20 mm。

柱腳節(jié)點開孔主要有以下幾種：底板螺栓孔、底板灌漿孔或者排氣孔、墊板開孔、靴板排水孔。

底板螺栓孔供穿螺栓和安裝柱腳時使用，直徑一般為地腳螺栓直徑+6 mm，柱腳安裝前開好。當(dāng)?shù)装迕娣e較大時需要在底板上開設(shè)灌漿孔或者排氣孔，直徑為60～100 mm，其數(shù)量為每平方米底板面積上1～2個。墊板起到固定螺栓的作用，墊板開孔為螺栓直徑+2 mm，鋼柱安裝完畢后將墊板與柱腳底板焊接，焊腳尺寸不小于10 mm，錨栓應(yīng)采用雙螺母擰緊并與墊板點焊。為防止柱腳節(jié)點內(nèi)長期積水導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，應(yīng)在靴板的底部開設(shè)排水孔，排水孔直徑可根據(jù)實際選用，一般在60 mm左右，對稱布置在鋼柱兩側(cè)。

3? 施工注意事項

3.1? 地腳螺栓的埋設(shè)

地腳螺栓的埋設(shè)是否精確直接影響到柱腳的位置及上部鋼結(jié)構(gòu)的安裝，地腳螺栓埋設(shè)中微小的誤差可能造成上部結(jié)構(gòu)無法安裝的嚴重后果，或者導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)被動移位而影響正常使用。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205的要求：地腳螺栓位置的允許偏差應(yīng)不大于5 mm（中心偏移）。

在實際施工中地腳螺栓一般由負責(zé)基礎(chǔ)澆筑的土建隊伍進行預(yù)埋，如果不采取有效的限位措施或者科學(xué)的施工工序，混凝土澆筑時很容易對地腳螺栓造成沖擊而改變其位置或者造成地腳螺栓的傾斜，所以對地腳螺栓的施工及定位應(yīng)采取必要的措施和科學(xué)的施工工序。地腳螺栓的施工應(yīng)嚴格遵守科學(xué)的施工工序：測量放線、基礎(chǔ)鋼筋的綁扎、柱墩模板安裝、定位板安裝及固定、螺栓組安裝復(fù)核、螺栓焊接固定、混凝土澆筑螺栓復(fù)核、產(chǎn)品保護。為了保證地腳螺栓的牢固需要在混凝土澆筑前將地腳螺栓與基礎(chǔ)底板或者基礎(chǔ)短柱的鋼筋進行短鋼筋接頭連接或者直接采用定位模板，短鋼筋接頭的連接最好分布在地腳螺栓的上、中、下3個標高，防止混凝土澆筑時的沖擊使其傾斜或者移位，同時混凝土振搗時應(yīng)進行精細施工，防止振搗設(shè)備觸碰到地腳螺栓，混凝土澆筑時如發(fā)現(xiàn)地腳螺栓移位應(yīng)及時進行糾正。地腳螺栓從安裝到完成施工應(yīng)經(jīng)過多次復(fù)測，分別為：短鋼筋接頭焊接完成后的復(fù)測、混凝土初凝前的復(fù)測、鋼柱預(yù)制和吊裝前的復(fù)測，每次的復(fù)測均需嚴格按照圖紙的要求進行，發(fā)現(xiàn)問題后需要及時的糾正。地腳螺栓施工完成后還需要對地腳螺栓進行成品保護，防止現(xiàn)場的施工與其發(fā)生碰撞及地腳螺栓的腐蝕。

3.2? 柱腳焊縫的施工

柱腳作為重要的傳力構(gòu)件，其傳力途徑為：柱通過豎向焊縫傳遞到靴板和肋板，靴板和肋板通過水平焊縫傳遞到底板，然后再由底板傳遞到基礎(chǔ)頂面，焊縫在柱腳的傳力過程中起到了至關(guān)重要的作用，因此柱腳焊縫的施工直接影響到柱腳的可靠性和安全性。

外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳的焊縫通常有兩種：剖口對接焊及普通的角焊縫。鋼結(jié)構(gòu)柱子與柱腳底板一般采用剖口焊，靴板及肋板與鋼柱、底板一般采用普通角焊縫，當(dāng)?shù)装宓暮穸取?0 mm時還需要采用厚度方向性能鋼板。焊縫長度基本為滿焊，具體操作時應(yīng)該嚴格按照設(shè)計圖紙中給定的焊縫形式及焊縫高度進行施工。焊接施工時需要注意以下事項：焊接變形對施工質(zhì)量影響非常大，所以焊接時應(yīng)采取措施嚴格控制焊接變形;根據(jù)板的不同厚度采取相應(yīng)的預(yù)熱措施及層間溫度控制措施;實施分段的多層多道焊，每焊完一道后應(yīng)及時清理焊渣及表面飛濺物，發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷時，應(yīng)清除后方可再焊;焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷，一二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。

4? 結(jié)束語

柱腳設(shè)計作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)對鋼結(jié)構(gòu)的安全性起著至關(guān)重要的作用，但是目前在石油化工行業(yè)中未能得到足夠的重視。本文結(jié)合理論基礎(chǔ)及現(xiàn)場實際情況對石油化工行業(yè)中常用的外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳的計算及構(gòu)造進行了詳細的闡述，對柱腳設(shè)計的合理性及構(gòu)造規(guī)范性給予了充分的強調(diào)，對鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計有著一定的指導(dǎo)意義。

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收稿日期：2020-03-12

作者簡介：董海?。?985-），男，遼寧省沈陽人，工程師，2008畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）土木工程專業(yè)，研究方向：石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：donghaiyin@hqcec.com。