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全面认识——钢结构柱脚

2021-03-29 10:55:37 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

钢结构柱脚一般包括埋入式、插入式、外包式和外露式四种形式,格构柱采用插入式和外露式柱脚居多。


日本AIJ的几本设计指针都明确规定,柱脚连接系数应采用梁柱刚性连接的连接系数。本条文按AIJ设计指针的规定给出柱脚极限承载力验算时的连接系数。


实腹柱的埋入式、插入式柱脚保证极限承载力容易做到,所以为简化设计,对弹塑性结构、弹性结构的柱脚也采用验算极限承载力的方式处理,只是对塑性结构柱脚的连接系数予以降低(降低的倍数,大体是降低H形钢柱截面形状系数Mp/Me值)。外露式柱脚也可采用内力设计法


埋入式柱脚应保证埋入深度和周边混凝土厚度。埋入式柱脚中,作用于钢柱剪力,主要靠埋入部分混凝土和钢柱接触面之间的压力传递至基础。反力分布根据钢柱截面形状不同而异,方钢管中面外刚度较大的两侧腹板部分较大,强轴受弯的H形截面柱中则腹板对应的翼缘中部较大。代表性的破坏模式有:


1)钢柱板件面外弯曲变形;

2)埋入表面附近钢柱接触部分的混凝土压坏;

3)混凝土保护层厚度较小时(边柱较易发生),钢柱前面的混凝土冲剪破坏;

4)钢柱弯曲屈服。


其中,(1)~(3)的破坏使承载力急剧下降,塑性变形能力较差,设计应避免。


据日本的资料,H形实腹式埋入式柱脚的埋入深度不小于2倍钢柱截面高度时,柱脚部位的恢复力特性基本呈纺锤形,与埋入3倍截面高度的恢复力特性已基本相仿。钢管柱、钢管混凝土柱则须埋入2~3倍后恢复力特性才相当。因此,条文规定H形钢柱埋入2倍的柱截面高度,钢管柱、钢管混凝土柱为2.5倍外径(或截面高度)。此时,钢柱一般能在混凝土顶部形成塑性铰。


埋入深度可按弯矩和剪力作用下基础混凝土的侧向压力来计算。一般地,弹性设计时,钢柱和混凝土的压力可按线性分布考虑,破坏极限状态时可按矩形分布(图12)。

埋入式柱脚采用钢管柱和箱形柱等中空截面时,易发生压曲,可采用图13的方式加强。采用外环板时,其外伸宽度不应小于柱边长(或管径)的1/10

埋入式柱脚为边柱或角柱时,由于侧面混凝土厚度不足,易发生劈裂破坏。故而,应在埋入部分的顶部和底部设置U形钢筋进行加强,并按图14的受力模式进行计算。U形钢筋的锚固长度应从钢柱内侧算起,锚固长度应符合相关规范的要求。

实腹柱插入式柱脚的插入深度并未见有试验验证的资料。对于实腹柱,包裹插入式柱脚与埋入式柱脚的基础混凝土的受力状态和抵抗钢柱弯曲的能力基本相当,故插入式柱脚的插入深度可参照埋入式柱脚的。


外包式柱脚属于钢和混凝土组合结构,内力传递复杂,影响因素多,目前还存在一些未充分明晰的内容,因此,诸如各部分的形状、尺寸以及补强方法等构造要求较多。


外包式柱脚的钢柱弯矩,大致上外包柱脚顶部钢筋位置处最大,底板处约为零。即,在外包混凝土刚度较大,且充分配置顶部钢筋的条件下,主要假定外包柱脚顶部开始从钢柱向混凝土传递内力。


外包式柱脚典型的破坏模式(图15):

1)钢柱的压力导致顶部混凝土压坏;

2)外包混凝土剪力引起的斜裂缝;

3)主筋锚固处破坏;

4)主筋弯曲屈服。


其中,前三种破坏模式会导致承载力急剧下降,变形能力较差。因此,外包混凝土顶部应配置足够的抗剪补强钢筋,通常集中配置3道构造箍筋,以防止顶部混凝土被压碎和保证水平剪力传递。外包式柱脚箍筋一般按100mm的间距配置,以避免出现受剪斜裂缝,并应保证钢筋的锚固长度和混凝土的外包厚度。

随外包柱脚加高,外包混凝土上作用的剪力相应变小,但主筋锚固力变大,可有效提高破坏承载力。外包混凝土高度,通常取柱宽的2.5倍及以上


钢柱向外包混凝土传递内力在外包混凝土顶部钢筋处实现,因此外包混凝土部分可按钢筋混凝土悬臂梁设计。钢柱底板螺栓连接的弯矩在弹性设计时一般忽略不计。


外包式实腹柱柱脚在塑性结构中,应确保满足极限受弯承载力和受剪承载力的要求。弹性和弹塑性结构的外包式柱脚,应按地震组合内力进行外包式柱脚的设计。

外包式柱脚的计算简图如图16,其极限承载力可按下列公式计算:

埋入式、外包式柱脚的栓钉,从试验结果分析,对受弯、受剪极限承载力的影响很小。故此,条文仅对有抗拔要求的钢柱明确要求设置栓钉。


柱脚是其抗震设计的关键环节。外露式柱脚是震害多发部位,其表现形式是锚栓剪断、拉断,或拔出,原因就是锚栓的承载力不足。


1)塑性结构的实腹柱外露式柱脚,应满足极限受弯承载力的要求。

以力学的角度分析,实腹柱的外露式柱脚作为半刚性连接考虑更加合适。与钢柱的全截面屈服承载力相比,多数情况下柱脚由锚栓屈服所决定的塑性弯矩较小。外露式柱脚受弯时的力学性能主要取决于锚栓。如锚栓受拉屈服后能充分发展塑性,则承受反复荷载作用时,外露式柱脚的恢复力特性呈典型的滑移型滞回特性。但实际的柱脚,往往在锚栓螺杆屈服前,螺纹处就发生断裂,难有充分的塑性发展。并且,当柱截面大到一定程度时,设计大于其极限抗弯承载力的外露式柱脚往往十分困难。因此,当柱脚承受的地震作用大时,采用外露式既不经济,也不合适。


2)对于弹性结构和弹塑性结构,条文参考日本规范,给出了外露式柱脚按内力设计的方法。


3)一般情况下,要求锚栓不得承受柱底剪力。外露式柱脚应按规定设置剪力键,以可靠传递水平地震作用。


4)锚栓的锚固深度是指埋在混凝土中的锚栓直线段的长度。锚栓的锚固深度与锚栓钢材的强度和基础混凝土的强度紧密相关。锚栓末端有弯钩和机械锚固形式的埋置深度,可按下式计算:

式中:——锚栓的锚固深度;

d——锚栓直径;——与锚栓直径相关的参数,当锚栓直径小于等于32mm时取1.0,大于32mm 取(132-d/100

fy——锚栓钢材的屈服强度;

ft——基础混凝土抗拉强度设计值)。

一般情况下,锚栓直径小于32mm,锚栓末端的弯钩和机械锚固形式以及技术要求可执行现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-20108.3节的规定;锚栓直径大于32mm,容易导致锚栓埋置深度过大而增大基础的混凝土方量,可采用埋置深度不小于20d并锚栓末端采用加强型锚板比,按倒锥体进行基础混凝土抗冲切验算;大直径锚栓末端通常采用型钢锚固。


由于起重机荷载的移动属性,格构柱在正常使用状态和地震作用状态的荷载差异较大,框架的格构下柱不仅具有较大的抗震能力储备,而且具有比H截面上柱大得多的刚度。计算分析表明,格构柱单层厂房框架的塑性铰位置往往在上柱柱底,而不在柱脚。格构柱的受力特征是分肢受拉、压,与实腹柱受弯压的特征不同,所以,一般情况下,其柱脚可按调整地震作用组合的内力进行抗震设计。


格构柱插入式柱脚采用内力的方式进行抗震验算,习惯上不考虑gRE调整,这是偏向安全一方的。