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摘 要：在钢结构建筑物中，钢柱柱脚作为上部钢结构和混凝土基础间的重要连接，其担负着将作用在上部结构的荷载传递到基础的作用，因此，柱脚的设计能否可靠地传递上部荷载变得非常重要，那么钢结构柱脚抗剪键的设计就成了钢结构设计人员面临的重要课题。本文通过分析柱脚所受到的水平力，重点介绍了钢结构柱脚抗剪键设计方法，以便满足钢结构柱脚传递给基础较大水平力的要求。
关键词：钢柱脚；抗剪键；设计方法
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
1.引言
随着钢结构形式的发展，钢结构中越来越追求轻质高效的受力形式，但是，目前来说，由于钢结构中所用的钢量比较少，自重较轻，所以在水平力的作用下，钢结构的柱脚承受着巨大的剪力，许多研究人员提出柱脚锚栓具有一定的抗剪能力，并且提出了用于考虑锚栓抗剪的设计公式，但是我国钢结构规范明确规定柱脚锚栓不能参加抗剪，所以必须通过设置抗剪键或是由地板和混凝土的摩擦力来承担水平力。
2.柱脚受水平力分析
在柱脚施工的过程中，基础短柱的顶部会有预留槽，当柱子安装就位后，抗剪键的设置通常是在基础中预留槽，然后用灌浆材料将预留槽以及找平层进行灌满充实，这样一来，抗剪键和混凝土是紧密地结合在一起的，在分析柱脚承受的剪力时，应该考虑混凝土的作用。
柱脚的水平力通过底板传递给抗剪键，抗剪键再把产生的剪力传递给其周围的混凝土，强大的剪力使得抗剪键变得弯曲，无形中就给混凝土造成了压力，如此一来，假如水平力比较大时，由于混凝土抗压的强度比钢材的抗压强度要小很多，所以，极易产生斜裂缝，这些裂缝使得在底板和抗剪键处的混凝土发生变形甚至完全破碎，直接导致了抗剪键的刚度减小，从而有发生整体坍塌的可能。所以，在柱脚的施工时，应该确定抗剪键的埋设深度，以确保混凝土达到破坏时的承载力大于柱脚承受的水平力。
另外，还需要注意抗剪键的抗剪性能是由柱脚处于处于压剪或拉剪的状态所决定的，所以，柱脚在承受较大剪力的同时也承受着较大的拉力，相对来说，也提高了对抗剪键设置的要求。
3.柱脚水平反力传递方法
我国钢结构规范明确规定设置抗剪键或是由地板和混凝土的摩擦力来承担水平力。利用柱脚底板和混凝土之间的摩擦力，这种方法简单直观，便于理解，但是其前提条件是柱脚压力必须足够大，因为当柱脚出现拉力时，柱脚会同时承受着较大的剪力和拉力，所以，这种方法不能有效地传递柱脚水平反力至基础。这时，常用的办法便是在柱脚底板设置抗剪键，抗剪键常采用方刚或H型钢，下文将主要阐释钢结构抗剪键的设计方法。
4.抗剪键设计方法分析
以往的实践证明，在柱脚底板下设置抗剪键，可以有效地解决基顶摩擦力不足的问题，但是，在工程设计的过程中，还需要确定抗剪键的埋置深度，因为其能保证混凝土达到破坏时的承载力大于柱脚承受的水平荷载。本文全面考虑抗剪键与混凝土的协同工作，分别推导了混凝土应力应变关系按线性弹性和非线性两种情况下的抗剪键的设计公式。
设计案例：假设钢结构柱脚的地板设计轴压力是25kN，设计剪力是180kN，基础混凝土的强度等级为C25，确定抗剪键的尺寸。首先，需要验算摩擦力是否满足钢结构的规范要求，即f=250×0.4=100kN＜V=180kN，也就是指柱脚地板和混凝土间的摩擦力小于设计剪力，不满足规范要求，应该设置抗剪键。按线性弹性设计，推导出来的抗剪键设计公式，抗剪键的设计埋深为54mm。而按非线性设计，推导出来的抗剪键设计公式，抗剪键的设计埋深为最小值为420mm，最大值为485mm，通过以上论述，可以看出，基于线性理论计算得到的抗剪键埋深和基于非线性理论得出的抗剪键埋深相差很大，按线性理论计算的抗剪键埋深较小，偏于不安全，所以在实际工程应用中应该按非线性理论进行计算，从而得出抗剪键的设计埋深应该取值为450mm。
5.抗剪键设计技术
抗剪键的设置还需要在基础中设置预留槽，大型柱脚地板还需要设置灌浆孔，所以施工比较困难，二次灌浆不容易密室，养护工作不容易开展，为了让抗剪键承受更大的水平剪力，必须要求施工单位确保施工质量，即灌浆时要把灌浆材料充满预留槽，从而保证抗剪键与混凝土之间的有效传力，也可以在柱脚底板上开设80mm的排气孔，方便排气，从而提高整个系统的抗剪能力。为了让抗剪键更好地承担水平荷载，抗剪键应该尽量宽而短，在满足安装要求的基础上二次灌浆层的厚度应该尽量薄，这样一来，无论从施工角度和设计角度都比较经济且合理。
假如在基础混凝土中加入钢筋，钢筋也会参与进抗剪的工作之中，所以一定程度上会增强抗剪键的抗剪性能，但是，在剪力的作用下，我们难以确定破坏是发生在混凝土中还是抗剪键中，所以，合理设置的抗剪键必须保证混凝土的破坏要先于其本身材料的破坏，这样一来，有效地避免了不容易发现钢材剪切破坏的问题。
通过研究表明，钢结构抗剪键的抗剪性能除了受柱脚的不同受力状态的影响，还与钢材材料的属性、剪力的大小、基础混凝土强度等级以及沿剪力方向计算长度等因素的影响，针对这些因素，初步确定抗剪键的设计埋深应该介于300mm到600mm之间，只有这样，才能更好地约束抗剪键和混凝土，避免发生整体破坏的可能。
源于抗剪键与混凝土是不可分割的整体，所以应该考虑抗剪键和混凝土的协同工作，为了保证这两者的有效协同工作，应该在抗剪键与柱脚底板之间进行相应的衔接，从而避免了抗剪键先于混凝土遭到破坏。
确定了抗剪键的理论埋深之后，还需要考虑柱脚的受力状态，并且以此为依据进行相应地调整，当柱脚处于压剪状态时，源于双向压力作用于混凝土上，所以其抗压强度的提高会增加抗剪键的抗剪键性能，这时可以适当地缩小抗剪键的设计埋深。反之，当柱脚处于拉剪状态时，其抗压强度的减弱则会降低抗剪键的抗剪性能，可以适当地放大抗剪键的设计埋深。另外，抗剪键的设计埋深还与抗剪键的截面有效回转半径、抗剪键与混凝土相对刚度的抵抗惯性矩以及抗剪键承担的剪力大小等诸多因素有关。
显然由于地震时的情况较为复杂，再加上荷载组合情况的变化系数较大，这样在计算的过程中不可能考虑周全所有的受力状态，更别提进行详细计算了，所以施工人员应该根据自身的实践经验，对一些重要的构架设置柱脚抗剪键。虽然利用抗剪键传递水平力，构造简单，受力明确，有效方便，与此同时也会增加设计和施工的工作量，但是，为了保证整个工程的施工质量，这种增加又是忽略不计的，为了达到提高抗剪键设计效率的目的，希望有关部门制定相应的规定和要求。
6.结束语
钢结构柱脚抗剪键的设计是困惑钢结构设计人员的一个问题。本文探讨了柱脚受水平力分析，柱脚水平反力传递方法，抗剪键设计方法分析，以及抗剪键设计技术，对设计提出一些建议，供同行设计参考。
参考文献：
[1]康介莲. 柱脚锚栓抗剪性能分析[J]. 山东建材，2008(05)：95-182.
[2]黄崇为,朱善春,王大领. 门式刚架设计中柱脚抗剪键的设置[J]. 科技创新导报，2009(03)：30-31.
[3]张昭云. 关于门式轻钢结构柱底抗剪鍵设置的探讨[J]. 有色金属设计，2010(02)：28-34.
关键词：钢柱脚；抗剪键；设计方法
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
1.引言
随着钢结构形式的发展，钢结构中越来越追求轻质高效的受力形式，但是，目前来说，由于钢结构中所用的钢量比较少，自重较轻，所以在水平力的作用下，钢结构的柱脚承受着巨大的剪力，许多研究人员提出柱脚锚栓具有一定的抗剪能力，并且提出了用于考虑锚栓抗剪的设计公式，但是我国钢结构规范明确规定柱脚锚栓不能参加抗剪，所以必须通过设置抗剪键或是由地板和混凝土的摩擦力来承担水平力。
2.柱脚受水平力分析
在柱脚施工的过程中，基础短柱的顶部会有预留槽，当柱子安装就位后，抗剪键的设置通常是在基础中预留槽，然后用灌浆材料将预留槽以及找平层进行灌满充实，这样一来，抗剪键和混凝土是紧密地结合在一起的，在分析柱脚承受的剪力时，应该考虑混凝土的作用。
柱脚的水平力通过底板传递给抗剪键，抗剪键再把产生的剪力传递给其周围的混凝土，强大的剪力使得抗剪键变得弯曲，无形中就给混凝土造成了压力，如此一来，假如水平力比较大时，由于混凝土抗压的强度比钢材的抗压强度要小很多，所以，极易产生斜裂缝，这些裂缝使得在底板和抗剪键处的混凝土发生变形甚至完全破碎，直接导致了抗剪键的刚度减小，从而有发生整体坍塌的可能。所以，在柱脚的施工时，应该确定抗剪键的埋设深度，以确保混凝土达到破坏时的承载力大于柱脚承受的水平力。
另外，还需要注意抗剪键的抗剪性能是由柱脚处于处于压剪或拉剪的状态所决定的，所以，柱脚在承受较大剪力的同时也承受着较大的拉力，相对来说，也提高了对抗剪键设置的要求。
3.柱脚水平反力传递方法
我国钢结构规范明确规定设置抗剪键或是由地板和混凝土的摩擦力来承担水平力。利用柱脚底板和混凝土之间的摩擦力，这种方法简单直观，便于理解，但是其前提条件是柱脚压力必须足够大，因为当柱脚出现拉力时，柱脚会同时承受着较大的剪力和拉力，所以，这种方法不能有效地传递柱脚水平反力至基础。这时，常用的办法便是在柱脚底板设置抗剪键，抗剪键常采用方刚或H型钢，下文将主要阐释钢结构抗剪键的设计方法。
4.抗剪键设计方法分析
以往的实践证明，在柱脚底板下设置抗剪键，可以有效地解决基顶摩擦力不足的问题，但是，在工程设计的过程中，还需要确定抗剪键的埋置深度，因为其能保证混凝土达到破坏时的承载力大于柱脚承受的水平荷载。本文全面考虑抗剪键与混凝土的协同工作，分别推导了混凝土应力应变关系按线性弹性和非线性两种情况下的抗剪键的设计公式。
设计案例：假设钢结构柱脚的地板设计轴压力是25kN，设计剪力是180kN，基础混凝土的强度等级为C25，确定抗剪键的尺寸。首先，需要验算摩擦力是否满足钢结构的规范要求，即f=250×0.4=100kN＜V=180kN，也就是指柱脚地板和混凝土间的摩擦力小于设计剪力，不满足规范要求，应该设置抗剪键。按线性弹性设计，推导出来的抗剪键设计公式，抗剪键的设计埋深为54mm。而按非线性设计，推导出来的抗剪键设计公式，抗剪键的设计埋深为最小值为420mm，最大值为485mm，通过以上论述，可以看出，基于线性理论计算得到的抗剪键埋深和基于非线性理论得出的抗剪键埋深相差很大，按线性理论计算的抗剪键埋深较小，偏于不安全，所以在实际工程应用中应该按非线性理论进行计算，从而得出抗剪键的设计埋深应该取值为450mm。
5.抗剪键设计技术
抗剪键的设置还需要在基础中设置预留槽，大型柱脚地板还需要设置灌浆孔，所以施工比较困难，二次灌浆不容易密室，养护工作不容易开展，为了让抗剪键承受更大的水平剪力，必须要求施工单位确保施工质量，即灌浆时要把灌浆材料充满预留槽，从而保证抗剪键与混凝土之间的有效传力，也可以在柱脚底板上开设80mm的排气孔，方便排气，从而提高整个系统的抗剪能力。为了让抗剪键更好地承担水平荷载，抗剪键应该尽量宽而短，在满足安装要求的基础上二次灌浆层的厚度应该尽量薄，这样一来，无论从施工角度和设计角度都比较经济且合理。
假如在基础混凝土中加入钢筋，钢筋也会参与进抗剪的工作之中，所以一定程度上会增强抗剪键的抗剪性能，但是，在剪力的作用下，我们难以确定破坏是发生在混凝土中还是抗剪键中，所以，合理设置的抗剪键必须保证混凝土的破坏要先于其本身材料的破坏，这样一来，有效地避免了不容易发现钢材剪切破坏的问题。
通过研究表明，钢结构抗剪键的抗剪性能除了受柱脚的不同受力状态的影响，还与钢材材料的属性、剪力的大小、基础混凝土强度等级以及沿剪力方向计算长度等因素的影响，针对这些因素，初步确定抗剪键的设计埋深应该介于300mm到600mm之间，只有这样，才能更好地约束抗剪键和混凝土，避免发生整体破坏的可能。
源于抗剪键与混凝土是不可分割的整体，所以应该考虑抗剪键和混凝土的协同工作，为了保证这两者的有效协同工作，应该在抗剪键与柱脚底板之间进行相应的衔接，从而避免了抗剪键先于混凝土遭到破坏。
确定了抗剪键的理论埋深之后，还需要考虑柱脚的受力状态，并且以此为依据进行相应地调整，当柱脚处于压剪状态时，源于双向压力作用于混凝土上，所以其抗压强度的提高会增加抗剪键的抗剪键性能，这时可以适当地缩小抗剪键的设计埋深。反之，当柱脚处于拉剪状态时，其抗压强度的减弱则会降低抗剪键的抗剪性能，可以适当地放大抗剪键的设计埋深。另外，抗剪键的设计埋深还与抗剪键的截面有效回转半径、抗剪键与混凝土相对刚度的抵抗惯性矩以及抗剪键承担的剪力大小等诸多因素有关。
显然由于地震时的情况较为复杂，再加上荷载组合情况的变化系数较大，这样在计算的过程中不可能考虑周全所有的受力状态，更别提进行详细计算了，所以施工人员应该根据自身的实践经验，对一些重要的构架设置柱脚抗剪键。虽然利用抗剪键传递水平力，构造简单，受力明确，有效方便，与此同时也会增加设计和施工的工作量，但是，为了保证整个工程的施工质量，这种增加又是忽略不计的，为了达到提高抗剪键设计效率的目的，希望有关部门制定相应的规定和要求。
6.结束语
钢结构柱脚抗剪键的设计是困惑钢结构设计人员的一个问题。本文探讨了柱脚受水平力分析，柱脚水平反力传递方法，抗剪键设计方法分析，以及抗剪键设计技术，对设计提出一些建议，供同行设计参考。
参考文献：
[1]康介莲. 柱脚锚栓抗剪性能分析[J]. 山东建材，2008(05)：95-182.
[2]黄崇为,朱善春,王大领. 门式刚架设计中柱脚抗剪键的设置[J]. 科技创新导报，2009(03)：30-31.
[3]张昭云. 关于门式轻钢结构柱底抗剪鍵设置的探讨[J]. 有色金属设计，2010(02)：28-34.