钢柱脚单个螺栓的承载力计算.pdf

第 卷 第 期建筑结构 年 月 钢柱脚单个锚栓的承载力设计 童根树 浙江大学土木系杭州 5 8 5 8 8 5 1 2 3 8 4 8 5 2 7 2 4 1 6 00 8 A B 1 9 8 4 1 8 1 5 2 1 8 1 2 1 5 6 10 1 2 6 C 8 5 2 2 1 8 4 4 2 8 5 2 7 2 4 1 1 2 1 8 3 2 5 7 6 1 D 6 2 1 7 2 4 1 8 8 4 4 2 1 2 1 8 3 2 5 1 2 3 8 5 2 7 2 4 1 8 4 2 1 2 25 2 9 8 1 9 C 8 1 9 8 2 6 0 1 2 5 8 5 8 8 5 1 一 锚栓的类型 锚栓分钻孔锚栓和灌注锚栓 后者是本文论述的 对象 根据埋入端形状的不同 锚栓有 型 E型 带 钉头 螺栓的六角头或栓钉的钉头 以及带锚板的四 种 型及E型锚栓是依靠粘结锚固的锚栓 但 型 锚栓可能从混凝土中拔出 产生不稳固的破坏模式 E 形锚栓的弯钩是构造要求 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 但是欧美国家主张避免在锚栓端头上设置金属板来提 高抗拔强度 端头钢板对增强锚栓抗拉承载力所起的 作用并不大 反而由于离混凝土基础或柱外边线的边 距和锚栓净间距过小引起一些问题 使基础混凝土截 面削弱严重 英国广泛采用基础上带预留孔的灌注锚栓 其构 造见图 图 8 用于锚栓直径较小 F 的情况 在基础施工时要预留一个下大上小的孔 安装时先放 入锚栓 然后再浇灌高标号细石混凝土 锚栓底部为 G G 的端承板 板底为六角头螺帽 这是一 种抗剪锚栓 埋入长度仅须 当锚栓直径 更大时 采用图 7 所示构造 这种锚栓的外侧有直 径为 的套筒 套筒底部为直径比套筒外径大的底 板 以确保不会发生套筒外表面的粘结破坏 锚栓埋 深以保证混凝土沿虚线所示剪切面破坏的荷载大于锚 栓抗拉承载力确定 套筒内灌注高标号细石混凝土 锚栓强度等级均为H I 套筒周围配竖向钢筋 竖向 钢筋的面积要保证能够承受 J的锚栓拉力 后一 种锚栓允许同时抗拉和抗剪 图 英国采用的灌注锚栓 锚栓也可以象高强螺栓那样施加预拉力 预拉力 能使柱底板紧紧地连接于混凝土上 柱脚转动刚度明 显变大 锚栓通常被预载到锚栓承载能力的某个预定 的程度 J 外弯矩作用后 受拉侧底板下压力减 小 而锚栓拉力增加很少 二 国内外对锚栓研究的概况 国内研究钢柱脚的文献只有李德滋 I 和于安麟 等 F 前者研究静力性能 后者研究抗震性能 国内 目前的柱脚设计方法以文 为基础 文 对单个锚 栓的承载力没有研究 文 F 则在柱脚滞回曲线 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 对单个锚栓承载力也没有给予关注 钢结构设计规范 K L I 应力破坏角就偏于不安全 此时必须对结 构设置加强箍筋以抵消受拉的影响 相反 混凝土柱 双向受压时会增强锚栓的抗拉能力 如果混凝土内配了钢筋 则锥体破坏面与钢筋相 交 钢筋参与了抗拉 这时要求所有拉力传给钢筋 由 此决定受拉锚栓附近应该具有的配筋量 而锚栓的埋 入深度理论上可以有所减小 实际则不减 图 锚栓受剪时混凝土的楔形破坏图 边距不足锚栓受剪时基础的破坏 锚栓仅受剪力情况 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 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 见图 上部无约束楔体在力作用下 将向上翻转 实际上 柱子底板或基础顶部盖板能限制混凝土楔体 移动 楔体就不能上移 在底板下产生向上的挤进压 力 增加了由底板施加的压力 在锚栓内也随之产生了 拉力 因此 锚栓的抗剪能力取决于钢材强度和剪力线 剪力作用点 与混凝土表面的间距 指锚栓有足够锚 固深度 锚栓到混凝土基础边缘距离足够大 基础混凝 土有较高强度的情况下 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 图6 7 荷载传递 将更有效 此时底板下的混凝土受到更大的约束 而且 底板边缘通过承压形成抗剪能力 剪力作用线靠近边 界时 抗剪能力受到边距有限的限制 破坏形式将是一 个半锥体被劈开 图 半锥体的顶点处在混凝土表 面的锚栓承压面处 若锚栓边距不足 可通过设置加 强箍筋来防止此类剪切破坏 如 形箍筋补强 锚栓既受拉力又受剪力情况 对这种情况的研究很少 当柱脚各板件强度和稳 定得到保证 底板和整个柱脚的刚度都较大时 柱脚的 破坏形式可能有以下 种 受拉侧锚栓屈服 柱脚在 有或没有微小滑移的情况下 刚体转动不断发展 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 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 锚栓端部的 锚固力不足 整个锚栓呈锥体拔出 4 9 8量纲为 4 锚栓抗剪承载力取上两式计算的较小值 上述研究结果是对单个锚栓研究的结论 没有考 虑底板有一个厚度以及钢底板对混凝土有约束等有利 因素的影响 介绍这些主要是为了使读者有一个对比 混凝土结构设计规范 式中 3 我国抗力分项系数的倒数 为剪切系 数 等于摩擦系数和 乘积的倒数 其值为 当柱底板 的顶面与基础混凝土表面平齐时取 3 3 摩擦系数为 0 当柱底板的底面与基础混凝土表 面平齐时取 3 3 7 4 3 6 锚栓抗剪和摩擦力抗剪能否同时考虑 英国采用了不考虑摩擦力抗剪的设计方法 美国 的式 似乎同时考虑了锚栓和摩擦力抗剪 文 建议超过摩擦力的部分由锚栓抗剪 回忆摩擦型和承 压型高强螺栓连接 依靠螺栓杆承压抗剪就不考虑摩 擦力抗剪 高强螺栓前者必比后者大 而钢筋混凝土 柱的抗剪强度是与混凝土柱内的轴压力成正比的 对 柱脚应该如何考虑 需要试验研究 参考文献 李德滋 钢柱柱脚锚栓的应力分析和设计 见 钢结构研究论文 选集 第二册 全国钢结构标准技术委员会 3 4 李德滋 缩小钢柱脚柱轮廓尺寸对上部钢框架性能的影响 见 钢结构规范组资料 3 4 李德滋 钢柱柱脚靴梁和底板的应力分析和设计 见 钢结构规 范组资料 3 4 D 7 J A D 7 E 8E NA 8 O 9 G E F0 E M D P 8 F G A F E P F 8 A ME NH D F P 9 D P F A MK 8 J 7 8 F 7 8 J Q H R K 3 4 4 D E N J F E P D A 8 9 G E F 0 E M D 7 8 D 8 7 E 8A 8 G A F Q R U E P F 8 A M H 3 3 I V V P F D D K E P F 8 A M T 7 F DW P A F D F 3 4 2 Q 7 G A F X ES H E M D 7 I R E 0 7 8 G A FA 8 D 8 7 E 8E 8J F E P D 0 A D A 7 M K 8 J 7 8 F 7 8 J E P F 8 A M Q F 7 9 A 8U 8 D 7 D P D E NH D MR E 8 D F P 9 O D 7 E 8 3 2 3 4 R G 7 E P F 8 A M H 9 E 8 W P A F D F 3 4 3 V 9 A 9 5 7 8 H M P D D FS Y A D M A 8 9 G E FP 8 F 9 E 0 7 8 M E A 7 8 J Q U H RK 8 J 7 8 F 7 8 J E P F 8 A M 8 W P A F D F 3 2 Z E M N B H A F 7 M KT R E M P 80 A M A D 7 D GA L 7 A M M E A E 8 D E P F 8 A ME ND G H D F P 9 D P F A MZ 7 7 7 E 8 Q H R K H B E M 3 4 Q R UR E 7 D D A 7 D 7 E 8D E9 E F a P 7 F 8 D N E F 8 P 9 M A F A N D F M A D 9 E 8 9 F D D F P 9 D P F Q R U N E F8 P 9 M A F A N D F M A D 9 E 8 9 F D D F P 9 D P F Q R U N E F8 P 9 M A F A N D F M A D D F P 9 O D P F Q 8 7 L O H D MK 0 8 D C M 7 8 J 8 FSK V 8 E 8 9 A Q H G A F9 A A 9 7 D E N G E F DA 8 9 G E F0 E M D A 8 M D P AM 7 D F A D P F F 7 Q R U E P F 8 A M P M O Q P J P D 3 4 DW P A F D F 3 4 R A 8 8 E 8S E N F ZQ V E F A 7 D GTI P M 3 4 T 7 G F V H D F P 9 D P F A M D A 7 M 7 87 8 P D F 7 A M0 P 7 M 7 8 J 8 J 7 8 F 7 8 J E P F 8 A M Q F 7 9 A 8U 8 D 7 D P D E NH D MR E 8 D F P 9 D 7 E 8 3 4 4 2 C G A F E Q 8 9 G E F0 E M D 7 J 8N E F G