鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪承載力計算分析及設(shè)計

甄 軍

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

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鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪承載力計算分析及設(shè)計

甄 軍

(中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

為了確定鋼結(jié)構(gòu)柱腳的抗剪承載力，對國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪研究情況進(jìn)行了總結(jié)，從摩擦力、錨栓抗剪承載力、抗剪鍵抗剪承載力等方面，歸納了柱腳抗剪承載力的計算分析及設(shè)計要求，以供參考。

鋼柱腳，抗剪鍵，承載力，摩擦力

0 引言

近年來，我公司承擔(dān)的化工、熱電、石化等工程設(shè)計中，鋼框架及輕型門式剛架的應(yīng)用十分普遍。在這類結(jié)構(gòu)設(shè)計中均涉及到柱腳抗剪承載力計算的問題，圖紙審查機構(gòu)也會要求設(shè)計人提供柱腳抗剪承載力的計算書。然而，國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范及計算軟件對柱腳抗剪承載力設(shè)計方面表達(dá)比較模糊，給結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來很多困惑。

本文基于對目前國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪承載力的研究情況的總結(jié)，提出了柱腳抗剪承載力設(shè)計的計算分析及設(shè)計要求，下面將結(jié)合工程實例，詳細(xì)討論這個問題。

1 一般規(guī)定

按我國習(xí)慣，柱腳錨栓不考慮承受剪力，特別是有靴梁的錨栓更不能承受剪力。但對于沒有靴梁的錨栓，國外有兩種意見，一種認(rèn)為可以承受剪力，另一種則不考慮(見G.BALLIO,F.M.MAZZOLANI著《鋼結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計》，冶金部建筑研究總院譯，1985年12月)。另外，在我國亦有資料建議，在抗震設(shè)計中可用半經(jīng)驗半理論的方法適當(dāng)考慮外露式鋼柱腳(不管有無靴梁)受壓側(cè)錨栓的抗剪作用。

柱腳示意圖見圖1。

2 鋼柱腳抗剪承載力性能分析

本文將鋼柱腳抗剪性能的分析分三個方面來展開，分別是：

1)摩擦力；

2)錨栓抗剪承載力；

3)抗剪鍵承載力。

2.1 摩擦力

柱腳底板和基礎(chǔ)間的摩擦力的計算公式：

F=μN

(1)

其中，μ為摩擦系數(shù)；N為軸力。

由式(1)可以看出，在摩擦系數(shù)確定的情況下，摩擦力的大小只取決于軸力的大小。我國目前現(xiàn)行規(guī)范一般規(guī)定摩擦系數(shù)可取0.4，代入軸力即可求得摩擦力。

2.2 錨栓抗剪承載力

目前，我國現(xiàn)行的規(guī)范一般忽略柱腳錨栓的抗剪承載力[1，2]，水平剪力全部由柱底摩擦力及抗剪鍵承受。而實際上,柱腳錨栓是有一定的抗剪能力的,在滿足結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下,若充分利用其抗剪性能,可在實際設(shè)計中減少甚至避免設(shè)置抗剪鍵,從而方便施工,節(jié)約鋼材,取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)外有關(guān)柱腳錨栓抗剪的理論分析及實驗比較多，文獻(xiàn)[3][4]通過實驗和理論推導(dǎo)出的如下計算公式比較有意義，計算公式如下：

(2)

鉸接柱腳：

(3)

剛接柱腳，取n2=0：

(4)

式中：N——柱腳軸力；

Ae——單根柱腳錨栓有效截面面積；

σ1——受拉側(cè)單根錨栓的正應(yīng)力；

σ2——靠近受壓一側(cè)單根錨栓的正應(yīng)力；

τ——受拉側(cè)單根錨栓的剪切應(yīng)力；

n1——受拉側(cè)錨栓的數(shù)目；

n2——靠近受壓一側(cè)錨栓的數(shù)目；

n3——參與受剪錨栓數(shù)目(建議取受拉側(cè)及受壓側(cè)錨栓各1/2)，且n3≥2；

β——錨栓受力不均勻系數(shù)，按文獻(xiàn)[5]取值；

fy——單根錨栓的屈服強度；

μ——柱腳底板與混凝土基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)，按文獻(xiàn)[6]取值。

σ1和σ2按式(3)，式(4)計算，式(3)，式(4)中各符號含義如圖2所示。

在確定混凝土基礎(chǔ)反力R的作用點位置時，參考文獻(xiàn)[4]的取值方法。

2.3 抗剪鍵抗剪承載力

國內(nèi)外的規(guī)范對于抗剪鍵的設(shè)置均有明確要求，然而對于規(guī)范的這一要求，若需設(shè)置抗剪鍵，其承載力如何驗算。對于設(shè)置抗剪鍵后具有多少抗剪承載能力的問題，現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和歐洲規(guī)范都沒有給出具體的設(shè)計計算公式，對這方面的研究工作也很少，實際設(shè)計中常常憑工程經(jīng)驗來確定。

韓寶儀、李維平等[3]對該類型柱腳分兩種構(gòu)造形式進(jìn)行試驗研究，一種用于研究錨栓的抗剪性能，另一種用于研究抗剪鍵的抗剪性能。通過試驗研究和理論分析，得出柱腳抗剪P—δ滯回曲線，提出露出型低位錨栓鋼柱腳在不同構(gòu)造時整體抗剪承載力計算公式。

(5)

(6)

對于抗剪鍵與底板的連接計算，抗剪鍵與底板可采用對接焊縫或角焊縫連接，對接焊縫采用單面坡口或雙面坡口，根據(jù)材料的等強原則，一般不需要計算。角焊縫需滿足抗剪要求，可由式(7)進(jìn)行計算：

(7)

式(7)中各參數(shù)的意義見GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。值得指出的是，水平剪力往往是兩個方向的，對于非一字形的抗剪鍵，忽略正面角焊縫的貢獻(xiàn)，讓側(cè)面角焊縫承擔(dān)該方向的全部剪力，既簡化計算又保留了安全度。

3 工程實例

某LNG接收站工程中BOG壓縮廠房，采用門式剛架結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)混凝土采用C40，柱腳采用剛接柱腳，地腳錨栓直徑52 mm，柱腳底部抗剪鍵采用普槽鋼16a，與柱腳底板采用6 mm角焊縫圍焊，門式剛架及錨栓采用Q345B，抗剪鍵采用Q235B，焊條E43，門式剛架詳見圖3。

計算結(jié)果為：Vmax=-134.30 kN，N=114.32 kN，M=-698.85 kN·m。

由式(1)得到摩擦力：

F=μN=0.4×114.32=45.73 kN

由式(2)，式(4)得到錨栓抗剪承載力(含摩擦力)，見表1。

表1 錨栓抗剪承載力

由式(5)，式(6)得到抗剪鍵抗剪承載力，見表2。

表2 抗剪鍵抗剪承載力

由此可得出柱腳抗剪承載力如下：

1)按照規(guī)范要求僅考慮摩擦力及抗剪鍵承載力：

V=F+V2=45.73+99.87=145.6 kN>Vmax。

2)考慮摩擦力、錨栓及抗剪鍵承載力：

V=V1+V2=352.09+99.87=451.96 kN>Vmax。

由式(7)簡化驗算抗剪鍵焊縫：

4 結(jié)語

通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

1)按照規(guī)范要求，摩擦力計算僅考慮軸力影響因素，使柱腳抗剪承載力保留了一定的安全度。

2)除摩擦力外,柱腳由于其構(gòu)造上的特點仍能夠提供可觀的抗剪力，對于這部分抗剪能力，可以適當(dāng)考慮。

3)抗剪鍵本身的抗剪承載力非?？捎^，抗剪鍵自身的破壞情況較少，但要使抗剪鍵完全發(fā)揮作用，需要考慮抗剪鍵與錨栓共同工作的合理破壞模式，這一方面仍需要進(jìn)一步研究。

4)柱腳的構(gòu)造要求必須保證，在計算理論及實驗數(shù)據(jù)較少的情況下，構(gòu)造的滿足就顯得尤為重要。

[1] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)[S].

[3] 韓寶儀，李維平，田成鋼，等.露出型鋼柱腳抗剪承載力的試驗研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2014，29(1)：8-12.

[4] 李維平，嚴(yán)新兵，于幼云.露出型鋼柱腳抗剪性能的理論與試驗研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2007，22(1)：45-48．

[5] 于安麟，永毓棟，郭在田，等．露出型鋼柱腳抗剪性能研究(Ⅱ)[J]．工業(yè)建筑，1992，22(6)：29-33.

[6] ACI 349-85， Code Requirements for Nuclear Safety Related Structures[S].

Calculation and design of shear capacity in steel column base

Zhen Jun

(CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd,Jinan250101,China)

In order to determining the shear bearing capacity of steel-column footing, the paper summarizes steel-column footing shear research conditions at home and abroad, concludes shear bearing capacity computation analysis and design demands of steel-column footing from aspects of friction force, anchor bolt shear bearing capacity and shear connector bearing capacity, with a view to provide some guidance.

steel-column footing, shear connector, bearing capacity, friction force

1009-6825(2016)16-0034-03

2016-03-15

甄 軍(1983- )，男，碩士，工程師

TU312

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