多高层钢结构工程钢柱在地下室做法

多高层钢结构工程钢柱在地下室做法

孙科章1吴振兴1袁征1

（1天津市城市规划设计研究总院有限公司，天津 300201）

【摘要】近年来越来越多的公共建筑和住宅采用了钢结构建造，但对于有地下室的建筑来说，钢结构并不适合于地下室环境。钢结构建筑的地下室部分常常采用耐久性更好的型钢混凝土、钢筋混凝土梁柱。本文将介绍一种箱型钢柱过渡为型钢混凝土柱延伸至地下一层及其柱脚的做法，同时也探讨了钢管混凝土柱延伸至地下一层及其柱脚的做法，供结构工程师在工作中参考。

【关键词】箱型柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、柱脚

【中国分类号】 TU    【文献标识码】A

0.概述

钢结构具有材料强度高，自身重量轻，造型能力强，抗震性能好，装配式建造，可回收再利用等诸多优点，符合绿色低碳发展要求，易于实现工业化建造和智能建造。各级政府也一直在积极倡导钢结构建筑，近年来越来越多的公共建筑和住宅采用了钢结构建造。

但是，对于有地下室的建筑来说，钢结构并不适合于地下室环境。众所周知钢结构易锈蚀，在地下室潮湿环境下锈蚀程度更高，速度更快，尤其是在消防水池等存水空间；并且地下室设备管线较多，很多设备机房都在地下室，对钢结构维护、维修、保养带来了很大的困难。另外，地下室着火以后难以扑灭，对钢结构构件破坏性很大。因此，钢结构建筑的地下室部分常常采用耐久性更好的型钢混凝土、钢筋混凝土梁柱。在《高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-2015》[1]（以下简称《高钢规》）第3.4.2条也规定：“钢框架柱应至少延伸至计算嵌固端下一层，并且宜采用钢骨混凝土柱，以下可采用钢筋混凝土柱。”

本文将介绍一种箱型钢柱过渡为型钢混凝土柱延伸至地下一层及其柱脚的做法，同时也探讨了钢管混凝土柱延伸至地下一层及其柱脚的做法，供结构工程师在工作中参考。

1.箱型柱转型钢混凝土柱做法

目前，国内多高层钢结构民用建筑中，钢结构上部结构的框架柱一般选用箱型柱。相对于上部钢结构来说，地下室刚度大很多，地下室顶板可以作为嵌固端[2]，因此实际工程中常根据《高钢规》的要求将首层钢柱延伸至地下一层，但在地下一层将钢柱变成十字形钢骨，外包钢筋混凝土，形成钢骨柱[3][4]。此时型钢混凝土柱按钢筋混凝土柱进行计算和设计[5]。

十字形钢柱与箱形钢柱的转换接头设置在首层梁下，箱型柱伸入首层梁下不少于2倍箱型柱柱宽，十字形钢柱插入箱型柱中不少于1倍柱宽，为保证型钢混凝土浇筑方便，十字形钢柱不宜抵到箱型柱内隔板底；十字形钢柱翼缘之间用缀板连接；型钢混凝土柱中，从首层梁底以下通高设置栓钉，栓钉直径不小于19mm，间距不宜大于200mm，箱型柱部分栓钉宜布置密一些，间距不宜大于150mm。具体做法见图1。

根据《组合结构设计规范JGJ138-2016》[6]（以下简称《组规》）第6.5.1条，型钢混凝土柱可根据受力特点采用埋入式柱脚或非埋入式柱脚：考虑地震作用组合的偏心受压柱宜采用埋入式柱脚；不考虑地震作用组合的偏心受压柱可采用埋入式柱脚，也可采用非埋入式柱脚；偏心受拉柱应采用埋入式柱脚。非埋入式是将柱底板置于底板或承台之上，锚栓锚固在底板或承台中，因为钢柱不埋入承台或底板，承台或底板可采用正常的高度，不用特别加高，并且承台或底板的钢筋不用躲避钢柱，可正常穿行，其做法较简单，施工比较方便，应是柱脚做法的首选；埋入式柱脚需将型钢柱锚入混凝土，其埋置深度不应小于柱型钢截面高度的2倍，且还应符合《组规》第6.5.4条的要求，因此埋入的型钢柱会增大承台的高度，也影响承台或底板钢筋的正常布置，并且因为钢柱需要埋入基础，底层钢柱应结合基础施工时间，安排生产，在基础浇筑前安装到位，因此相对非埋入式做法来说埋入式做法较复杂，施工比较麻烦，且要求底层钢柱的生产应提前。一般情况下，建筑物的柱基本都是属于偏心受压状态，柱脚可以采用非埋入式做法；当然，如有偏心受拉柱，则应按《组规》要求柱脚应采用埋入式做法。非埋入式做法、埋入式做法均可参考《型钢混凝土组合结构构造04SG523》图集中的做法；不过对于非埋入式做法来说，螺栓数量可减少，起到定位作用就可以，同时为了使填充物能更容易地充满柱脚底板下方的空腔并拥有足够的强度，可采用流体状高强度灌浆料代替图集中的无收缩细石混凝土或铁屑砂浆。

图1 箱型柱向地下室延伸做法

2.钢管混凝土柱转型钢混凝土柱做法

在钢结构建筑中，有时为提高局部柱的刚度和承载能力，可采用钢管混凝土柱。根据《组合结构设计规范》钢管混凝土也可根据受力特点采用埋入式柱脚或非埋入式柱脚；其选用原则也应符合《组规》第6.5.1条的要求。基于与型钢混凝土柱脚同样的选择原则，柱脚可以采用非埋入式做法；如为偏心受拉柱，也应按《组规》要求柱脚应采用埋入式做法。钢管混凝土柱柱脚的非埋入式构造应满足《组规》第7.4.12条和8.4.12条的要求，其构造要求与普通钢柱和型钢混凝土柱非埋入式柱脚做法略有差异。

根据《组规》第7.4.16条和8.4.16条，无论是矩形钢管混凝土柱还是圆形钢管混凝土柱，当采用非埋入式柱脚时，当其非埋入式脚底板截面处的偏心受压正截面承载力不符合本规范第7.4.13条规定时，可在钢管周围外包钢筋混凝土增大柱截面，并配置计算所需的纵向钢筋及构造规定的箍筋。外包钢筋混凝土应延伸至基础底板以上一层的层高范围，其纵筋锚入基础底板的锚固长度应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定，钢筋端部应设置弯钩。钢管壁外侧应按本规范第7.4.9条设置栓钉，具体做法详图2。钢管混凝土柱最外圈也是钢材，也存在容易锈蚀的问题，当在地下室部分采用钢管混凝土柱时，其周边最好也设置一层混凝土，将外表钢柱包裹起来隔绝外界潮湿空气。因此按照《组规》的要求，在钢管周围外包钢筋混凝土增大柱截面，同时提高了柱脚偏心受压正截面承载力和钢管混凝土柱的抗腐蚀能力。

图2 钢管混凝土柱向地下室延伸做法

4.工程案例

济宁市兖州区文化中心项目包括科技馆与科教中心、档案馆、图书馆、文化馆和地下室五个部分，本项目建筑物抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g；设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。其中四个场馆均为多层公共建筑，地上部分均采用钢结构，竖向构件中钢柱基本为箱型柱，局部采用矩形钢管混凝土柱；地下部分采用钢筋混凝土或型钢混凝土结构。四个场馆造型别致、丰富，内部大跨度空间较多，均有多于三项不规则，经精心设计都顺利通过了山东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查和施工图审查。

设计时，出于经济性和施工便利性的考虑，本项目钢柱、钢管混凝土柱在地下部分均采用本文阐述的做法。现本项目主体已基本施工完毕，施工单位反馈本项目地下室部分，构造简单明了，施工方便，施工质量容易保证。

图3 箱型柱向地下室延伸做法               图4 钢管混凝土柱柱脚做法

5.结论

1.钢结构首层钢柱下伸到地下室，可在地下一层将钢柱变成十字形钢骨，外包钢筋混凝土，形成钢骨柱，此时型钢混凝土柱按钢筋混凝土柱进行计算和设计，其柱脚可根据其受力状态选择埋入式柱脚或非埋入式柱脚，一般可选用非埋入式柱脚，偏心受拉柱须采用埋入式柱脚。

2.当钢结构建筑中局部采用钢管混凝土柱时，其柱脚可根据其受力状态选择埋入式柱脚或非埋入式柱脚，一般可选用非埋入式柱脚，偏心受拉柱须采用埋入式柱脚。可在钢管周围外包钢筋混凝土增大柱截面提高柱脚偏心受压正截面承载力和钢管混凝土柱的抗腐蚀能力。

参 考 文 献

[1] 高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ99-2015 [S].北京: 中国建筑工业出版社, 2021.

[2] 娄宇，崔学宇. 图说钢结构疑难问题[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2022

[3] 沈佳星. 高层钢结构钢骨混凝土地下室结构体系.[J]钢结构，2016,31（208），47-49

[4] 中国院技术措施[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2022

[5] 陈文渊，刘梅梅. 钢结构设计精讲精练[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2022

[6] 组合结构设计规范：JGJ138-2016 [S].北京: 中国建筑工业出版社, 2016