鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪鍵設(shè)計探討

魏鵬

(上海蒙福隴化學工程有限公司,上海 200233)

鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪鍵設(shè)計探討

魏鵬

(上海蒙福隴化學工程有限公司,上海 200233)

柱腳受剪破壞發(fā)生在混凝土基礎(chǔ)中,不易發(fā)現(xiàn)且難以采取加固措施,所以在設(shè)計過程中提前做好柱腳的抗剪設(shè)計就顯得非常重要。

鋼柱腳 抗剪鍵 二次灌漿

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,結(jié)構(gòu)上部荷載通過鋼柱柱腳傳遞到基礎(chǔ),因此柱腳的設(shè)計能否可靠地傳遞上部荷載在整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。通常來說,柱腳的剪力可由以下幾種方式來承擔：①柱底板與混凝土基礎(chǔ)見得摩擦力;②錨栓的栓桿抗剪;③柱腳底板的抗剪鍵;④柱外包混凝土?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)第8.4.13條明確規(guī)定：柱腳錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力,此水平反力由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0.4)或設(shè)置抗剪鍵承受。而柱腳受剪破壞發(fā)生在混凝土基礎(chǔ)中,不易發(fā)現(xiàn)且難以采取加固措施,所以在設(shè)計過程中提前做好柱腳的抗剪設(shè)計就顯得非常重要。

1 柱腳壓力的取值

通常情況下,對于剛接柱腳,在設(shè)計過程中都僅僅考慮了柱腳的豎向力N而沒有考慮彎矩M的作用。其實,由于M的存在,將會使鋼柱底一部分產(chǎn)生拉力T拉,一部分產(chǎn)生壓力T壓,前者直接通過柱腳錨栓傳給基礎(chǔ)(錨栓看作為混凝土基礎(chǔ)中的受拉鋼筋),后者將會和豎向力N形成合力,增大鋼柱底板與混凝土接觸面上的摩擦力,所以此時公式中的摩擦力0.4N可以考慮為0.4(N+T壓)。而在混凝土梁的正截面承載力計算分析中是不考慮混凝土抗拉的,所以根據(jù)力的平衡,在彎矩M作用下,作為受拉鋼筋考慮的錨栓T拉=混凝土受壓區(qū)的壓應(yīng)力T壓,所以最終的結(jié)果將是通過比較0.4(N+T拉)與V來判斷抗剪鍵的設(shè)置與否。設(shè)計過程中將會有以下幾種情況：①M=0,N＞0,錨栓拉力T拉=0,接觸面間的摩擦力f=0.4N;②M＞0,N＞0,但底板沒有受拉區(qū)(小偏心),錨栓拉力T拉=0,接觸面間的摩擦力f=0.4N;③M＞0,N＞0,底板存在受拉區(qū)(大偏心),錨栓拉力T拉＞0,接觸面間的摩擦力f=0.4(N+T拉)。

2 柱腳水平受力分析

通過以上分析,V＞0.4(N+T拉)時,認為柱底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力不足以抵抗全部的水平剪力,此時應(yīng)設(shè)置抗剪鍵。通常會采用鋼板、槽鋼、H型鋼等構(gòu)件作為抗剪鍵設(shè)置于鋼柱底板下面用于承受、抵抗水平剪力。在柱腳施工中,抗剪鍵通常是通過在基礎(chǔ)中預(yù)留槽,待鋼柱安裝就位后進行二次灌漿和養(yǎng)護,因此抗剪鍵是與混凝土緊密結(jié)合在一起的,應(yīng)考慮二者的協(xié)同工作,抗剪鍵的設(shè)置詳見圖1。

柱底的水平剪力由底板傳給焊縫,通過焊縫再傳給抗剪鍵,產(chǎn)生的剪力由抗剪鍵通過擠壓周圍的混凝土傳給混凝土基礎(chǔ)。由于鋼材抗壓強度遠大于混凝土的抗壓強度,在水平力比較大時,底板與混凝土交接處的混凝土塊易產(chǎn)生斜裂縫,裂縫的發(fā)展將使混凝土壓縮變形直至完全破碎,此時過大的變形導致抗剪鍵與混凝土失去有效約束,無法協(xié)同工作,抗剪鍵抗剪剛度急劇減小,失去作用,有發(fā)生整體破壞的可能。因此,設(shè)置抗剪件時宜加大抗剪方向抗剪件與混凝土的接觸面面積,應(yīng)能保證混凝土達到破換狀態(tài)時的承載力大于柱腳承受的水平剪力。

3 抗剪鍵的設(shè)計

抗剪鍵設(shè)計的主要內(nèi)容包括確定埋深和截面規(guī)格兩部分。柱腳水平剪力使抗剪鍵受彎類似一懸臂梁,故可將抗剪鍵簡化為一短梁,如圖2。由圖所示可知,反彎點O之上部分在混凝土擠壓應(yīng)力作用下抵抗水平剪力,反彎點O之下部分由于與水平剪力同向,不考慮此部分的作用影響,可將抗剪鍵計算模型簡化為如圖3所示。

浙江大學肖楠教授基于以上理論分析,利用混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非線性彈塑性模型,通過建立梁平衡微分方程,分別推導出了受壓混凝土應(yīng)變達到應(yīng)力峰值應(yīng)變ε0和極限應(yīng)變εcu兩種極限狀態(tài)下的抗剪鍵抗剪承載力的理論計算公式,并利用有限元分析進行結(jié)果驗證,兩種方法計算的結(jié)果誤差都在10%左右,從而驗證了理論公式的正確性和可行性。這里僅列出兩種公式以供參考。

(1)抗剪屈服承載力(εcmax=ε0=0.002)

抗剪鍵的抗剪屈服承載力Vy0.77fcbh≥V

(2)抗剪極限承載力(εcmax=εcu=0.0033)

抗剪鍵的抗剪極限承載力Vu0.87fcbh≥V

G鋼材的剪變模量(G 0.79×105N/mm2)

E鋼材的彈性模量(E 2.06×105N/mm2)

①I——抗剪鍵截面慣性矩;②A1——抗剪鍵沿剪力方向的有效抗剪面積(H型鋼可取腹板面積);③A——抗剪鍵截面總面積;④B——抗剪鍵寬度;⑤l——混凝土沿剪力方向的計算長度lmin(3,b抗剪鍵到基礎(chǔ)邊緣距離);⑥fc——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。

需要指出的是,以上公式所得的抗剪鍵埋深h應(yīng)為不考慮二次澆灌層的埋深,抗剪鍵的總高度應(yīng)為計算所得埋深高度h加上二次澆灌層厚度,這主要是因為后澆混凝土與原基礎(chǔ)混凝土的接觸面為一薄弱層,受力分析困難,故將此部分作為安全儲備為宜。

4 抗剪鍵與與底板的連接計算

抗剪鍵與底板可采用對接焊縫或角焊縫連接。對接焊縫采用坡口焊,根據(jù)材料等強原則,一般不需要計算;角焊縫不能滿足等強要求,需要進行焊縫抗剪驗算。

①V——剪力設(shè)計值;②he——角焊縫的計算厚度,對直角角焊縫可取0.7h為hf;③hf——焊角尺寸;④lw——角焊縫的計算長度,對每條焊縫取其實際長度減去2hf;⑤ftw——角焊縫的強度設(shè)計值。

按焊縫有效截面計算沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力。

5 抗剪鍵漏設(shè)或增加困難的補救措施

施工過程中,由于施工人員的疏忽漏設(shè)抗剪鍵,或者在一些改造項目中,由于上部荷載及受力的改變,在利用原有結(jié)構(gòu)的情況下,柱底增加抗剪鍵困難,可采用在基礎(chǔ)短柱和鋼柱底板以上柱腳四周增設(shè)角鋼,然后澆筑混凝土外包加固的方法進行補救。

圖1 鋼柱腳抗剪鍵

圖2 鋼柱腳理論埋泵

圖3 抗剪鍵計算模型

6 設(shè)計實例

某鉸接鋼柱腳的底板尺寸為500mm×500mm,柱腳底部混凝土基礎(chǔ)尺寸為800mm×800mm,軸壓力設(shè)計值為250kN,剪力設(shè)計值為180kN。若基礎(chǔ)混凝土強度等級為C30,試進行該鋼柱柱腳抗剪鍵的設(shè)計。

6.1 首先驗算摩擦力是否滿足規(guī)范要求

f=250×0.4 100kN＜V=180kN不滿足規(guī)范要求,應(yīng)設(shè)置抗剪鍵。

6.2 進行抗剪鍵設(shè)計

假設(shè)抗剪鍵采用H型鋼HW2 0 0X 2 0 0,則抗剪鍵截面慣性矩I=4.77 × 107mm4,截面總積A 6428mm2,有效抗剪面積A1=8×176 =1408mm2,寬度b=200mm,混凝土沿剪力

方向的計算長度l=min(3b,400-200/2)=300mm

(1)抗剪屈服承載力(εcmax=ε0=0.002)抗剪鍵的埋深

抗剪鍵的抗剪屈服承載力

因此,當混凝土壓應(yīng)變達到ε0=0.002為極限狀態(tài)時,采用型鋼HW200X200作為抗剪鍵,在最小高度為245mm(205+40,40mm為二次灌漿層厚度)的情況下,抗剪鍵本身具有452kN的抗剪能力,滿足設(shè)計要求。

抗剪極限承載力(εcmax=εcu=0.0033)抗剪鍵的埋深

抗剪鍵的抗剪極限承載力

因此,當混凝土壓應(yīng)變達到ε0=0.033為極限狀態(tài)時,采用型鋼HW200X200作為抗剪鍵,在最小高度為310mm(270+40,40mm為二次灌漿層厚度)的情況下,抗剪鍵本身具有681kN的抗剪能力,滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)語

抗剪鍵在整個結(jié)構(gòu)中屬于小構(gòu)件,但對柱腳的抗剪作用卻很大。在設(shè)計過程中,切不可忽視它對整個結(jié)構(gòu)的影響作用,以免給整個結(jié)構(gòu)體系帶來隱患。本文通過對柱腳壓力取值,柱腳水平受力的分析,給出了抗剪鍵設(shè)計計算公式,并給出漏設(shè)抗剪鍵后的補救措施,以方便設(shè)計工作。一家之言,尚有不足之處,懇請批評指正。

[1]GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[S].北京：中國計劃出版社,2003.

[2]GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[S].北京：中國計劃出版社,2010.

[3]肖南,李莎,趙文爭.鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪鍵抗剪承載力計算[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2010,1000-6869(2010)07-0086-08.

[4]李星榮,魏才昂,丁 峙崐 ,李和華.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社[M].2004,ISBN978-7112-07076-3.

[5]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編輯委員會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社[M].2003,ISBN978-7-112-06110-5.