装配式钢结构厂房柱脚节点抗震性能及构造设计

引言

伴随建筑工业化进程加速，装配式钢结构厂房凭借施工高效、绿色环保等优势，在工业建筑领域广泛应用。柱脚节点作为连接钢柱与基础的关键部位，对结构整体稳定及抗震性能起决定性作用，一旦在地震中失效，易引发结构倒塌，造成严重损失。尽管国内外学者已围绕其抗震性能开展大量研究，但实际工程中，部分构造形式难以抵御强震，连接方式可靠性也存在不足。为此，本文系统探究装配式钢结构厂房柱脚节点抗震性能，提出科学合理的分析方法与构造设计优化策略，以保障厂房安全，推动装配式建筑技术发展。

一、装配式钢结构厂房柱脚节点类型及受力特点

（一）柱脚节点主要类型

装配式钢结构厂房柱脚节点主要有埋入式、外包式和外露式三种类型。埋入式将钢柱埋入基础混凝土，靠粘结力、摩擦力与栓钉传力，整体性和抗震性佳，但施工复杂，对基础精度要求高；外包式在钢柱底部外包钢筋混凝土，借混凝土约束提升承载与刚度，施工较简便；外露式通过地脚螺栓连接钢柱与基础，构造与安装简单，不过抗震性能较弱，常用于层数少、抗震要求低的厂房。

（二）柱脚节点受力特点

装配式钢结构厂房柱脚节点在正常使用荷载下，主要承受钢柱传递的轴力、弯矩与剪力，分别通过柱脚底板、引发拉压作用、依靠摩擦及抗剪键传递。地震作用下，其受力更为复杂，需承受循环荷载与水平地震力，地脚螺栓、焊缝等部位易疲劳破坏，影响抗震性能。不同类型柱脚节点受力特点有别，埋入式靠混凝土约束，外露式依赖地脚螺栓锚固。

二、装配式钢结构厂房柱脚节点抗震性能影响因素

（一）构造参数的影响

柱脚节点的构造参数对其抗震性能有着重要影响。地脚螺栓的直径、数量和锚固长度直接关系到柱脚节点的抗拉和抗剪能力。一般来说，增加地脚螺栓的直径和数量、保证足够的锚固长度，可以提高柱脚节点的承载能力和抗震性能。柱脚底板的厚度和尺寸也会影响节点的受力性能，较厚的底板能够更好地传递荷载，减小底板的变形；合理的底板尺寸可以确保柱脚与基础之间的应力分布均匀。此外，加劲肋的设置能够增强柱脚节点的刚度和稳定性，防止柱脚在受力时发生局部屈曲。

（二）材料性能的影响

钢材和混凝土的材料性能对柱脚节点抗震性能至关重要。钢材的强度、延性和韧性直接影响柱脚节点在地震作用下的变形能力和耗能能力。高强度钢材可以提高柱脚节点的承载能力，但可能会降低其延性；具有良好延性和韧性的钢材能够使柱脚节点在地震作用下发生较大的变形而不破坏，有效吸收地震能量。对于采用混凝土的柱脚节点（如埋入式、外包式柱脚），混凝土的强度等级、弹性模量以及与钢材之间的粘结性能也会影响节点的受力性能。较高强度等级的混凝土可以提供更强的约束作用，提高柱脚节点的抗震性能。

（三）节点连接方式的影响

装配式钢结构厂房柱脚节点的连接方式主要有焊接、螺栓连接和栓焊混合连接。焊接连接具有连接强度高、整体性好的优点，但焊接过程中容易产生焊接残余应力和变形，影响节点的性能。螺栓连接施工方便，便于拆卸和维修，但螺栓的预紧力和连接的可靠性对节点性能影响较大。栓焊混合连接结合了焊接和螺栓连接的优点，在实际工程中得到广泛应用。不同的连接方式在地震作用下的破坏模式和抗震性能存在差异，合理选择连接方式是提高柱脚节点抗震性能的关键。

三、装配式钢结构厂房柱脚节点构造设计优化策略

（一）基于抗震性能的构造形式选择

根据装配式钢结构厂房的使用功能、层数、抗震设防烈度等因素，合理选择柱脚节点构造形式。在高抗震设防地区，优先采用埋入式柱脚或外包式柱脚，以提高结构的抗震性能；对于层数较少、抗震要求相对较低的

厂房，可考虑采用外露式柱脚，但需对其进行适当的加强设计。同时，在选择构造形式时，还应综合考虑施工条件、成本等因素，确保设计方案的可行性和经济性。

（二）构造参数优化设计

优化地脚螺栓的布置和参数，根据地脚螺栓的受力计算结果，合理确定螺栓的直径、数量和锚固长度，确保地脚螺栓在地震作用下具有足够的抗拉和抗剪能力。对于柱脚底板，应根据柱脚的受力情况进行强度和刚度计算，选择合适的厚度和尺寸。合理设置加劲肋，增加柱脚节点的刚度和稳定性，加劲肋的形式和尺寸应根据柱脚的受力特点和构造要求进行设计。此外，还应注意各构造参数之间的协调性，避免因某个参数不合理而影响整个节点的性能。

（三）连接方式改进与创新

针对焊接连接存在的问题，采用合理的焊接工艺和顺序，减少焊接残余应力和变形。例如，采用对称焊接、分段焊接等方法，控制焊接变形。对于螺栓连接，提高螺栓的预紧力控制精度，采用高强度螺栓并确保螺栓的安装质量。同时，积极探索新型连接方式，如采用耗能型连接节点，在节点中设置耗能元件，使节点在地震作用下能够先于主体结构发生破坏，消耗地震能量，保护主体结构安全。此外，加强对栓焊混合连接节点的研究，优化连接节点的构造细节，提高连接的可靠性和抗震性能。

四、工程案例分析

（一）工程概况

某装配式钢结构厂房位于抗震设防烈度 8 度地区，厂房为单层单跨结构，跨度为24 米，柱距为8 米，檐口高度为10 米。该厂房采用钢柱-钢梁结构体系，柱脚节点原设计采用外露式柱脚，地脚螺栓直径为 24mm ，数量为4 个。

（二）抗震性能分析与问题发现

通过有限元软件对该厂房柱脚节点进行抗震性能分析，结果显示在罕遇地震作用下，地脚螺栓出现较大的拉力和剪力，部分螺栓接近屈服状态，柱脚底板变形较大，存在安全隐患。进一步分析发现，原设计的地脚螺栓数量不足、锚固长度较短，柱脚底板厚度较薄，无法满足高抗震设防地区的抗震要求。

（三）构造设计优化与效果评估

针对上述问题，对柱脚节点进行构造设计优化。将地脚螺栓直径增大至 30mm ，数量增加至 6 个，同时增加地脚螺栓的锚固长度；将柱脚底板厚度由 16mm 增加至 20mm ，并合理设置加劲肋。优化后，再次通过有限元软件进行抗震性能分析，结果表明，在罕遇地震作用下，地脚螺栓的拉力和剪力均明显减小，未出现屈服现象，柱脚底板变形控制在允许范围内，柱脚节点的抗震性能得到显著提升，满足了抗震设计要求。

结束语

综上所述，装配式钢结构厂房柱脚节点抗震性能与构造设计关乎厂房安全。本文剖析节点类型、受力特征及抗震影响因素，提出优化构造形式、参数，改进连接方式等策略，并以工程实例验证其有效性，证实合理设计可显著提升节点抗震性能。随着装配式建筑技术进步，对柱脚节点抗震性能要求更高。未来应探索新型构造形式，加强试验与模拟研究，完善评估方法，深入探究整体与节点抗震性能关系，为装配式钢结构厂房抗震设计提供更科学可靠的支撑。

参考文献

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