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摘要：抗剪键的设计是柱脚设计的重要组成部分,本文对抗剪键设置的条件及抗剪键的受力特点进行了分析,对抗剪键的材料和施工做了系统的阐述，供设计及施工人员参考。
关键词：轻钢结构；柱脚设计；抗剪键
Abstract：Shear key column design is an important part of the design, the article on the shear keys to set the conditions and shear bond stress distribution characteristics are analyzed, on the shear bond materials and construction described,For the design and construction of reference.
Keywords: light steel structure；Column base design；Shear key
中图分类号：TU392.5 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1引言
近年来，随着钢结构在我国的迅猛发展，尤其轻钢结构因其自身施工速度快、建筑造型美观、造价低廉等优点在各领域的广泛应用，怎样设计才能使得结构形式安全可靠、用钢量最省、社会经济效益比较突出成为设计人员讨论的热门话题。而在工业厂房钢结构设计中，柱脚起着将上部荷载传递到基础的重要作用,因此在整个设计过程中，钢结构柱脚设计能否可靠地传递上部荷载就变得十分重要。一般来说钢结构柱脚分为铰接和刚接两种形式，两种柱脚均要承受水平力。而《钢结构设计规范》明确规定，柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平反力，此水平反力由底板与混凝土基础间的摩擦力承受或者设置抗剪键来承受，所以在设计中通常不考虑锚栓抗剪部分。另外柱脚受剪破坏发生在混凝土基础中，不易发现且通常难以采取加固措施，因此，钢结构抗剪键的设计在整个钢结构设计中非常重要。
2 柱脚受水平力分析
柱脚的水平力由底板传给抗剪键，产生的剪力再由抗剪键通过承压传给周围的混凝土，剪力使抗剪键受弯，其弯剪变形使混凝土受压，当水平力较大时，由于钢材抗压强度比混凝土抗压强度大的多，在底板与抗剪键交接处的混凝土块易产生斜裂缝，裂缝的发展使混凝土压缩变形并完全破碎，此时的抗剪键与混凝土将失去有效约束，其抗剪键刚度急剧减小，有发生整体破坏的可能，因此，抗剪键的埋置深度应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。当选定了抗剪键的材料和截面形式后，其埋置深度的确定便是抗剪键设计中的关键问题。
必须指出，处于受压或受拉状态的柱脚抗剪键的抗剪性能是不同的，当柱脚处于压剪状态时，由于混凝土处于双向受压状态，其抗压强度值的提高会增强抗剪键的抗剪能力；反之，处于拉剪状态时则会降低抗剪键的抗剪能力。因此，柱脚在承受较大剪力的同時还承受着拉力，对抗剪键的设置要求还应该更严格些。如果基础混凝土中配了钢筋，由于钢筋参与抗剪工作，增强了抗剪键的抗剪能力。在剪力作用下，破坏可能发生在抗剪键中，或发生在混凝土中。合理设置的抗剪键应能保证混凝土的破坏先于其本身材料的破坏，因为抗剪键剪切破坏时发生在基础混凝土中，不容易发现，且难以采取加固措施。
3抗剪键的设计
抗剪键是指在钢结构柱脚设计中设置于柱底板下面用于抵抗水平剪力的构件，判断柱脚是否需要设置抗剪键是根据其受力情况确定的，与柱脚的形式（铰接或刚接）无关。柱脚底部的水平反力应由柱脚底板与混凝土基础件间的摩擦力承受，摩擦系数可取0.4。一般情况下，当水平反力大于摩擦力时，应设置抗剪键，当水平反力小于摩擦力时，可不设抗剪键，但在下列几种情况下均宜设置抗剪键:
（1）抗震设防烈度较高或者风荷载较大的地区。地震作用或风荷载产生的水平剪力较大，或者轻型钢结构厂房在风的吸力作用参与组合的工况中，由于柱轴向压力正比于柱底板与混凝土的摩阻力，柱轴向压力越小摩阻力越大，抗剪键所承受的水平剪力越大，选取组合工况时应选择水平剪力较大，轴向压力较小的工况，且选取的水平剪力与轴向压力要对应。
（2）厂房内布置有起重设备时应设置抗剪键。起重设备对结构产生横向刹车力和纵向刹车力，产生的瞬间惯性力通过柱间支撑或钢架传至柱脚，突然增大的惯性力对结构非常不利，所以在有起重设备时各柱下均宜设置抗剪键。
（3）柱间支撑所处开间的柱下应设置抗剪键。厂房的纵向水平力通过系杆传给柱间支撑，又通过柱脚传给基础，柱间支撑所处开间的柱脚承担着厂房大部分纵向水平力，一般较大，此处为抗剪设计的薄弱环节，设计人员应特别注意。
钢结构厂房柱脚抗剪键具备的抗剪性能与钢材材料特征、基础混凝土强度等级、沿剪力方向计算长度及剪力大小等诸多因素有关。通过对大量实例的计算并分析总结，得出抗剪键的理论设计埋深一般为300~600mm,但这个理论埋深并不是绝对的，设计人员还应根据柱脚的不同受力状态进行调整，处于拉剪状态时，抗剪键的埋深可适当放大，处于压剪状态时，抗剪键的埋深可适当减小。
为了保证抗剪键与基础混凝土的有效协同工作，抗剪键与底板间应有可靠的连接，以防止抗剪键首先失效破坏。基础预留槽内的混凝土应浇注密实、高强，以保证抗剪键与混凝土之间的有效传力，提高整个系统的抗剪能力。
4 抗剪键的材料及构造
抗剪键的材料有钢板、角钢、槽钢、工字钢等，为保证焊接的可靠性不宜选用Q235沸腾钢。在柱脚施工中，抗剪键的设置通常是在基础中预留槽，待柱安装后做二次浇灌和养护，二次后浇混凝土采用比基础混凝土强度等级高一级的细石混凝土掺少量的微膨胀剂。因此抗剪键是和混凝土紧密结合在一起的，应考虑抗剪键与混凝土的协同工作，留置键槽时每侧宽出抗剪键不小于30mm，底部空隙高度不小于20mm，在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50mm，柱脚刚接时不宜大于100mm。
5抗剪键的施工
虽然规程中对填实柱脚底板与混凝土基础之间空隙提出了施工方法和材料要求，可是在大量工程调查中发现，有许多工程未按照规程要求施工，柱底板下仅留有50mm调整孔隙，通过调整螺母保证了柱底板的标高及柱子垂直度，对所留孔隙填充的密实度与规程要求相差太远，只是用比基础混凝土强度等级高一级的普通细石混凝土填垫，其施工方法是用木质方棒向50mm孔隙内拨捣，有的是做厂房地面施工时填垫，所用材料就是做地面的普通混凝土。只有极少数工程师用膨胀水泥配制的无收缩砂浆填实，大多数工程师用普通砂浆填实，很难保证孔隙填充砂浆的密实度，更甚者是在底板的边缘填充，中间是空的，所有轴力全由调整螺母承担，柱底板和基础混凝土面没有接触或接触面甚小，或因混凝土收缩柱底板和基础混凝土之间产生间隙，柱底板和基础混凝土之间摩擦力几乎为零。当地震作用时，水平剪力全由地脚螺栓承担，很可能被剪断，造成因螺栓剪断后柱根位移而导致建筑物倒塌，应引起设计、施工、监理单位的重视。
6结语
抗剪键在整个结构中属于小构件，但他在柱脚中的的抗剪作用很大，切不可因其小而忽视它，从而给结构带来安全隐患，合理的设计、精心的施工才能保证结构的安全。
参考文献
GB50017-2003钢结构设计规范
钢结构设计手册
肖南，何亮.钢结构柱脚抗剪键设计方法研究.浙江大学学报：工学版，2007（1）：181-186
于大永，付英莲.也谈轻钢结构房屋柱基设计.钢结构，2006，21（2）：88
朱舰，马山积，李卫东.浅议钢结构柱脚抗剪键的设计,山西建筑，2009（2），No.164
作者简介：郭永宏（1981-），男，甘肃会宁人，工学学士，土建工程师。长期从事建筑结构设计工作。
关键词：轻钢结构；柱脚设计；抗剪键
Abstract：Shear key column design is an important part of the design, the article on the shear keys to set the conditions and shear bond stress distribution characteristics are analyzed, on the shear bond materials and construction described,For the design and construction of reference.
Keywords: light steel structure；Column base design；Shear key
中图分类号：TU392.5 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1引言
近年来，随着钢结构在我国的迅猛发展，尤其轻钢结构因其自身施工速度快、建筑造型美观、造价低廉等优点在各领域的广泛应用，怎样设计才能使得结构形式安全可靠、用钢量最省、社会经济效益比较突出成为设计人员讨论的热门话题。而在工业厂房钢结构设计中，柱脚起着将上部荷载传递到基础的重要作用,因此在整个设计过程中，钢结构柱脚设计能否可靠地传递上部荷载就变得十分重要。一般来说钢结构柱脚分为铰接和刚接两种形式，两种柱脚均要承受水平力。而《钢结构设计规范》明确规定，柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平反力，此水平反力由底板与混凝土基础间的摩擦力承受或者设置抗剪键来承受，所以在设计中通常不考虑锚栓抗剪部分。另外柱脚受剪破坏发生在混凝土基础中，不易发现且通常难以采取加固措施，因此，钢结构抗剪键的设计在整个钢结构设计中非常重要。
2 柱脚受水平力分析
柱脚的水平力由底板传给抗剪键，产生的剪力再由抗剪键通过承压传给周围的混凝土，剪力使抗剪键受弯，其弯剪变形使混凝土受压，当水平力较大时，由于钢材抗压强度比混凝土抗压强度大的多，在底板与抗剪键交接处的混凝土块易产生斜裂缝，裂缝的发展使混凝土压缩变形并完全破碎，此时的抗剪键与混凝土将失去有效约束，其抗剪键刚度急剧减小，有发生整体破坏的可能，因此，抗剪键的埋置深度应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。当选定了抗剪键的材料和截面形式后，其埋置深度的确定便是抗剪键设计中的关键问题。
必须指出，处于受压或受拉状态的柱脚抗剪键的抗剪性能是不同的，当柱脚处于压剪状态时，由于混凝土处于双向受压状态，其抗压强度值的提高会增强抗剪键的抗剪能力；反之，处于拉剪状态时则会降低抗剪键的抗剪能力。因此，柱脚在承受较大剪力的同時还承受着拉力，对抗剪键的设置要求还应该更严格些。如果基础混凝土中配了钢筋，由于钢筋参与抗剪工作，增强了抗剪键的抗剪能力。在剪力作用下，破坏可能发生在抗剪键中，或发生在混凝土中。合理设置的抗剪键应能保证混凝土的破坏先于其本身材料的破坏，因为抗剪键剪切破坏时发生在基础混凝土中，不容易发现，且难以采取加固措施。
3抗剪键的设计
抗剪键是指在钢结构柱脚设计中设置于柱底板下面用于抵抗水平剪力的构件，判断柱脚是否需要设置抗剪键是根据其受力情况确定的，与柱脚的形式（铰接或刚接）无关。柱脚底部的水平反力应由柱脚底板与混凝土基础件间的摩擦力承受，摩擦系数可取0.4。一般情况下，当水平反力大于摩擦力时，应设置抗剪键，当水平反力小于摩擦力时，可不设抗剪键，但在下列几种情况下均宜设置抗剪键:
（1）抗震设防烈度较高或者风荷载较大的地区。地震作用或风荷载产生的水平剪力较大，或者轻型钢结构厂房在风的吸力作用参与组合的工况中，由于柱轴向压力正比于柱底板与混凝土的摩阻力，柱轴向压力越小摩阻力越大，抗剪键所承受的水平剪力越大，选取组合工况时应选择水平剪力较大，轴向压力较小的工况，且选取的水平剪力与轴向压力要对应。
（2）厂房内布置有起重设备时应设置抗剪键。起重设备对结构产生横向刹车力和纵向刹车力，产生的瞬间惯性力通过柱间支撑或钢架传至柱脚，突然增大的惯性力对结构非常不利，所以在有起重设备时各柱下均宜设置抗剪键。
（3）柱间支撑所处开间的柱下应设置抗剪键。厂房的纵向水平力通过系杆传给柱间支撑，又通过柱脚传给基础，柱间支撑所处开间的柱脚承担着厂房大部分纵向水平力，一般较大，此处为抗剪设计的薄弱环节，设计人员应特别注意。
钢结构厂房柱脚抗剪键具备的抗剪性能与钢材材料特征、基础混凝土强度等级、沿剪力方向计算长度及剪力大小等诸多因素有关。通过对大量实例的计算并分析总结，得出抗剪键的理论设计埋深一般为300~600mm,但这个理论埋深并不是绝对的，设计人员还应根据柱脚的不同受力状态进行调整，处于拉剪状态时，抗剪键的埋深可适当放大，处于压剪状态时，抗剪键的埋深可适当减小。
为了保证抗剪键与基础混凝土的有效协同工作，抗剪键与底板间应有可靠的连接，以防止抗剪键首先失效破坏。基础预留槽内的混凝土应浇注密实、高强，以保证抗剪键与混凝土之间的有效传力，提高整个系统的抗剪能力。
4 抗剪键的材料及构造
抗剪键的材料有钢板、角钢、槽钢、工字钢等，为保证焊接的可靠性不宜选用Q235沸腾钢。在柱脚施工中，抗剪键的设置通常是在基础中预留槽，待柱安装后做二次浇灌和养护，二次后浇混凝土采用比基础混凝土强度等级高一级的细石混凝土掺少量的微膨胀剂。因此抗剪键是和混凝土紧密结合在一起的，应考虑抗剪键与混凝土的协同工作，留置键槽时每侧宽出抗剪键不小于30mm，底部空隙高度不小于20mm，在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50mm，柱脚刚接时不宜大于100mm。
5抗剪键的施工
虽然规程中对填实柱脚底板与混凝土基础之间空隙提出了施工方法和材料要求，可是在大量工程调查中发现，有许多工程未按照规程要求施工，柱底板下仅留有50mm调整孔隙，通过调整螺母保证了柱底板的标高及柱子垂直度，对所留孔隙填充的密实度与规程要求相差太远，只是用比基础混凝土强度等级高一级的普通细石混凝土填垫，其施工方法是用木质方棒向50mm孔隙内拨捣，有的是做厂房地面施工时填垫，所用材料就是做地面的普通混凝土。只有极少数工程师用膨胀水泥配制的无收缩砂浆填实，大多数工程师用普通砂浆填实，很难保证孔隙填充砂浆的密实度，更甚者是在底板的边缘填充，中间是空的，所有轴力全由调整螺母承担，柱底板和基础混凝土面没有接触或接触面甚小，或因混凝土收缩柱底板和基础混凝土之间产生间隙，柱底板和基础混凝土之间摩擦力几乎为零。当地震作用时，水平剪力全由地脚螺栓承担，很可能被剪断，造成因螺栓剪断后柱根位移而导致建筑物倒塌，应引起设计、施工、监理单位的重视。
6结语
抗剪键在整个结构中属于小构件，但他在柱脚中的的抗剪作用很大，切不可因其小而忽视它，从而给结构带来安全隐患，合理的设计、精心的施工才能保证结构的安全。
参考文献
GB50017-2003钢结构设计规范
钢结构设计手册
肖南，何亮.钢结构柱脚抗剪键设计方法研究.浙江大学学报：工学版，2007（1）：181-186
于大永，付英莲.也谈轻钢结构房屋柱基设计.钢结构，2006，21（2）：88
朱舰，马山积，李卫东.浅议钢结构柱脚抗剪键的设计,山西建筑，2009（2），No.164
作者简介：郭永宏（1981-），男，甘肃会宁人，工学学士，土建工程师。长期从事建筑结构设计工作。