钢结构钢柱脚锚栓的设计方法[详细]

1、钢结构设计方法 钢柱脚锚栓的设计方法,主要内容,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,7.1 锚栓的类型,锚栓分为：钻孔锚栓和灌注锚栓。本章主要介绍灌注锚栓。 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。 L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。 带端承板的锚栓是承压型锚栓，但是端承板越

2、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。,7.1 锚栓的类型,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。,7.1 锚栓的类型,英国广泛采用基础上带预留孔的灌注锚栓。 锚栓直径较小（36）的情况：如下图（a） 锚栓直径较小（36）的情况：如下图（b）,7.2 国内外对锚栓研究的概况,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。

3、 （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。,7.2 国内外对锚栓研究的概况,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。,7.2.1 锚栓仅受拉力情况,1.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。 2.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

4、坏，要求采用较 大的埋入深度。,7.2.1 锚栓仅受拉力情况,3.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。,7.2.1 锚栓仅受拉力情况,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。,7.2.2 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

5、楔体在受力作用下，将向上翻转。,7.2.2 锚栓仅受剪力情况,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。,7.2.2 锚栓仅受剪力情况,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。,7.2.3 锚栓既受拉力又受剪力的情况,受拉侧的锚栓屈服，柱脚在有或没有微

6、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。 锚栓粘结力不足被拔出。 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。 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。,7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况,1.于安麟等建议的方法 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 式中， ， 为锚栓数量。,7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况,3.

7、国外研究结论 a. (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。 b. (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。 锚栓的抗剪承载能力取上面两个中的较小值。,7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况,4.混凝土结构设计规范（GB50010-2002）预埋件设计方法 其中， 时取0.7， 为锚栓直径。 该式主要是对锚栓直径小于等于25的情况，且 只适用于埋板顶面与基础混凝土面平齐的情况。,7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况,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（AC

8、I349-85）,7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法,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。,7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法,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。,7.5 单个螺栓承载力总结,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2/33/4。 3.我们国家规定不考

9、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。,7.5 单个螺栓承载力总结,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,7.6 锚栓内力计算,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，混凝土最大压应力和混凝土受压边长度x）,必须建立第

10、三个方程才能求解,7.6.1 各种计算方法介绍,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。,7.6.3 对各种方法的评论,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

11、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）,7.6.4 柱脚底板厚度的确定,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,7.6.4 柱脚底板厚度的确定,情况2:两相邻边支承的板，,7.6.4 柱脚底板厚度的确定,情况3：三边支承的板块（如图d）： 情况4：四边支承的区块：,7.7 基于极限状态的柱脚设计方法,下图给出了三种柱脚，受压区分成三个区

12、块，平衡条件如下：,7.8 外包式柱脚设计,外包式刚接柱脚是：将钢柱用混凝土包起来形成的柱脚。,7.8.1 外包式柱脚及其传力分析,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。,7.8.1 外包式柱脚及其传力分析,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

13、实际上没弯矩。,7.8.1 外包式柱脚及其传力分析,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。,7.8.2 外包式柱脚中轴力的传递,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：,7.8.2 外包式柱脚中轴力的传递,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：,7.8.3 外包式柱脚的设计方法,1.包脚刚度

14、：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。,7.8.3 外包式柱脚的设计方法,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

15、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 埋入式钢柱脚的传力分析与设计,7.9.1 中柱的埋入式柱脚,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