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钢结构——钢柱脚锚栓的设计方法

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钢结构设计方法 ——钢柱脚锚栓的设计方法 7.1 锚栓的类型 7.2 国内外对锚栓研究的概况 7.3 锚栓抗剪的计算方法 7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法 7.5 单个螺栓承载力总结 7.6 锚栓内力计算 7.7 基于极限状态的柱脚设计方法 7.8 外包式柱脚设计 7.9 埋入式钢柱脚的传力分析与设计 Ø锚栓分为:钻孔锚栓和灌注锚栓。本章主要介 绍灌注锚栓。 Ø根据埋入端形状的不同分为:L形、J形、带钉 头以及带锚板四种。 ØL形及J形锚栓是依靠粘结锚固的锚栓,但L形 锚栓可能从混凝土中拔出,产生不稳固的破坏 模式。J形锚栓的弯钩是构造要求。 Ø带端承板的锚栓是承压型锚栓,但是端承板越 大,端承板底面高度处基础混凝土有效抗拉截 面越小。这种锚栓在我国得到广泛应用。 欧美国家主张避免在锚栓端 头上设置金属板来提高抗拔 出强度。 原因: (1)端头钢板所起的作用 仅仅是从锚栓中心线向外延 展被拔出的圆锥体,这对增 强锚栓抗拉承载力所起的作 用与增加埋深是一样的; (2)后者的制作成本更低 。 英国广泛采用基础上带预留孔的灌注锚栓。 锚栓直径较小(≤Φ36)的情况:如下图(a) 锚栓直径较小(≤Φ36)的情况:如下图(b) 国内研究情况 (1)李德滋 静力性能 目前的柱脚设计方法以文献[1](李德滋.钢柱 柱脚锚栓的应力分析和设计)为基础。 (2)于安麟 抗震性能 文献[6-8]是在柱脚滞回曲线试验研究基础上 提出了确定整个柱脚节点抗弯和抗剪承载力的 方法。 国外研究情况 国外更加关注单个锚栓的承载力,破坏方式等 ,对第二方面的研究却很少。 美国ACI349-85《核能结构规范》附录B对锚 栓的计算和设置有详细的要求,还专门编制了 锚栓的设计导则。 Ø1.锚栓杆达到抗拉承载力极限。(希望的破坏形式) 锚栓拉断承载力为: 为锚栓有效抗拉面积, 为锚栓的屈服强度。 Ø2.基础混凝土与锚杆的粘结破坏。 取粘结应力与混凝土抗拉强度 相同, 为锚栓杆直径, 为埋入深度。 由于粘结强度低,为防止粘结破坏,要求采用较 大的埋入深度。 Ø3.圆锥形混凝土达到抗拉承载极限。 单个锚栓:采用水平投影面进行计算,混凝土抗拉力 计算简化为 , 为锚栓钉头直径 锚栓群:考虑各锚栓破坏锥体相互重叠的情况。 , 为从属于该锚栓的锥体水平投影面 积。 Ø由 和 可以确定锥体破坏决定的埋入长 度,有两者确定的埋入长度比较见下表7-1。 Ø剪力由锚栓通过承压传 给周围混凝土,剪力使 锚栓受弯,锚栓弯曲使 混凝土压碎。试验表明 ,若不存在底板,高度 约为螺栓直径1/4的楔 形混凝土块能自由形成 并 完全破碎,此时锚栓节点的抗剪刚度急剧减 小。上部无约束的楔体在受力作用下,将向 上翻转。 Ø当距离增大时,锚栓弯曲变 形很明显,抗剪刚度减小。 这种节点的一个例子是当底 板与基础混凝土之间有一层 较弱的灰浆层隔开或高位锚 栓,灰浆的存在使得在剪力 作用下锚栓能较自由地弯曲 变形。当锚栓在剪力作用下 向一侧倾斜时,锚栓中形成 斜拉力,锚栓依靠混凝土的 锚固作用来抗剪。 若锚栓群组通过一块 底板承受剪力,且底 板埋置在混凝土中(如 右图c),荷载将以更 加有效的方式传递开 ,因此此时底板下的 混凝土受到更大的约 束,而且底板边缘混 凝土通过承压形成抗 剪能力。 ①受拉侧的锚栓屈服,柱脚在有或没有微小滑移的情况下,刚 体转动不断发展。 ②基础外伸边缘尺寸过小,致使在底板压力作用下的混凝土基 础边缘外被压裂(劈裂)。 ③混凝土抗压强度不足,在压力作用下基础发生局部承压破坏 。 ④锚栓端部的锚固力不足,整个锚栓呈锥体拔出。 ⑤锚栓粘结力不足被拔出。 ⑥基础混凝土抗剪强度不足,使锚栓周围的混凝土沿45°斜线 剪坏。 ⑦锚栓受剪弯曲时,与锚栓接触的混凝土产生永久变形而破坏 。 1.于安麟等建议的方法 Ø式中, 为修正系数,低位锚栓可以取0.65, 高位锚栓可以取0.4。 为参与抗剪的锚栓总数 。 2.李德滋等建议的方法 Ø式中, , 为锚栓数量。 3.国外研究结论 Øa. (配合抗力分项系数1.111使用) 式中, 为锚栓毛截面面积, 为锚栓抗拉极限强度。 Øb. (配合抗力分项系数1.5使用) 式中, 为锚栓直径, 为圆柱体混凝土抗压强度。 Ø锚栓的抗剪承载能力取上面两个中的较小值。 4.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)预 埋件设计方法 Ø其中, 时取0.7, 为锚栓直径。 Ø该式主要是对锚栓直径小于等于25的情况, 且 Ø只适用于埋板顶面与基础混凝土面平齐的情况 。 5.英国的方法 英国对柱底板上孔径的要求是: 当 时 当 时 6.美国核工业结构预埋件设计规定(ACI349- 85) 1.李德滋教授推荐的计算方法 式中, 为每个锚栓单纯受拉时的抗拉能力, , 分别为每个锚栓同时承受的拉力和剪力。 2.美国ACI349-85计算方法 式中, ,C为剪切系数,等于摩擦系数和 乘积的倒数。 3.于安麟等建议的方法 上式的摩擦抗力考虑了锚栓拉力使得基础混凝 土反力增加的有利影响。 4.按照普通螺栓的拉剪联合作用曲线 取抗剪和抗拉强度设计值与普通螺栓完全相同 。 1.前文介绍的各种方法都有其合理的地方。 2.我国锚栓的强度设计值仅为欧美等国家的 2/3~3/4。 3.我们国家规定不考虑锚栓抗剪,相反,英国 有只能抗剪不能抗拉的锚栓。 4.在多少锚栓参与抗剪的问题上,存在不同的 做法,它与锚栓的构造有关。 5.锚栓的抗剪强度设计值应该取多大?存在不 同的观点。 6.锚栓抗剪和摩擦力抗剪是否能同时考虑? 英国 不考虑摩擦力抗剪 美国 同时考虑锚栓和摩擦力抗剪 李德滋 超过摩擦力的部分由锚栓抗剪 各种计算方法才用不同的混凝土压应力分布曲 线。 确定分布曲线后,可以建立两个平衡方程: 式中,R为混凝土的压应力合力,e=M/N,h0为锚栓至 压力最大侧底板边的距离。 有三个未知量(锚栓拉力z,混凝土最大压应力σ和 混凝土受压边长度x),必须建立第三个方程才能求解 1.德国采用的方法。 2.我国钢结构设计手册的简化法。 3.美国采用的方法。 4.固定混凝土应力,混凝土压应力分布为矩形的极限 状态法。 5.钢筋混凝土梁弹性比拟法。 6.英国采用的方法。 7.李德滋教授建议的方法。 8.于安麟等建议的方法。 9.苏联寇洼里斯基。 1.我国的设计方法比较保守。 2.德国方法满足平衡条件,不违背强度条件。 3.固定混凝土最大应力,应力分布三角形法,满足平衡条件 。 4.固定混凝土最大应力,应力分布矩形法,满足平衡条件、 屈服条件和机构条件。 5.英国方法假定了混凝土压力合力作用点的位置,只满足弯 矩平衡,与我国计算方法属同一类,但更简单。 6.钢筋混凝土弹性梁比拟法,满足平衡条件、不违背强度条 件。(平截面假定) 7.李德滋教授建议的方法,是将我国、英国和德国的方法进 行了精致化处理。(较好的下限法) 情况1.柱无外伸加劲肋的部分(图a),此时 只有一条塑性绞线,因此柱脚底板的厚度为: 式中,Nt为一个锚栓承受的拉力。 a.悬臂板块 情况2:两相邻边支承的板, 情况3:三边支承的板块(如图d): 情况4:四边支承的区块: 下图给出了三种柱脚,受压区分成三个区块,平衡 条件如下: 外包式刚接柱 脚是:将钢柱 用混凝土包起 来形成的柱脚 。 外包式柱脚传力分析: 1.轴力的传递(如右图所 示)。 由于布置了锚钉,在向下的钢 柱轴力作用下,必然会有一部 分轴力传递到混凝土上,因此 钢柱轴力向下逐渐变小,而混 凝土内轴力逐渐变大。 2.弯矩的传递(如右图所 示)。 经研究表明:钢柱外包混凝土的柱 脚,即使在弹性阶段,两者的共同 作用不能采用钢-混凝土组合构件 理论来解决,因为外包混凝土顶部 ,由混凝土承受的弯矩等于0,但 是组合构件理论要求钢和混凝土两 者曲率相同,导致混凝土顶部理论 上有弯矩而实际上没弯矩。 3.剪力的分布。 柱承受的总剪力是Q,按照常理, 钢柱和外包混凝土各承担一部 分,但通过右图d所示发现, 外包混凝土承担的剪力要比钢 柱承担的剪力还要大,其值为: 从弯矩和剪力的传递看,外包混凝土应看成是钢柱的 支座,而不应被看成与钢柱共同工作的一部分。 微元平衡方程: 单位高度上的界面抗滑移力为: 以拉为正 以拉为正 边界条件: 混凝土和钢截面上的界面剪力: 底部截面钢柱轴力: 式中, , 为栓钉的抗滑移刚度 底部混凝土承受的压力: 1.包脚刚度:H形截面柱,以2.5倍柱高为宜,上下允许浮动 10%;箱型截面柱和矩形钢管混凝土截面柱,以3倍柱高为宜 ,上下允许浮动10%,向下浮动时,构造措施要加强。 2.在包脚高度范围内应按照构造要求,尽量多地布置栓钉, 栓钉直径为19或22,不宜更小。 3.钢柱底板厚度的确定。 选择 ,直到上式满足为止。 4.如果底板厚度太大,则允许分配一部分钢柱压力到混凝土 ,分配的比例按照式(7-44)计算,或者直接分配混凝土承 担的比例为 ,但是分配比例不得超过抗压强度比,即 : 。 5.栓钉数量的验算。 6.钢柱底板伸出柱边长度以及开孔布置。 7.计算外包混凝土中的配筋。 8.如果已经分配一部分柱压力到外包的混凝土,则还要验算 外包混凝土中的压应力。 9.柱脚抗剪计算 10.对于抗剪设计的结构,按照强剪弱弯的原则,即按照式( 7-37)计算出外包混凝土承担的剪力,与式(7-51)的右边 进行比较。 7.9.1 中柱的埋入式柱脚 1.轴力的传递。 埋入式柱脚轴力的传递与外包式柱脚没有本质的区别,只是 此时参与传力的混凝土面积有所增加。由于栓钉属于柔性连 接件,达到其极限抗滑移承载能力之前要经受较大的变形, 而与组合梁不同的是,这里钢柱脚底部下面也是钢筋混凝土 ,它不能与栓钉破坏时的变形协调,因此栓钉的承载力很可 能不能得到很好的发挥。 因此设计时,如果不采取其他措施,钢柱柱底的混凝土仍然 起到主要的传递轴力给混凝土的作用。 2.弯矩和水平剪力的传递。 中柱柱脚的设计步骤: (1)埋深。 (2)混凝土外皮离开柱的最小距离应大于等于250mm. (3)包脚高度内栓钉的布置。 (4)钢柱周围的竖向架立钢筋,四角应取不小于4φ20。 (5)柱底板的计算。 (6)箍筋的布置。 (7)按照右图的计算模型, 计算边缘混凝土的最大压力, 要求不超过混凝土的抗压强度。
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