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    浅析钢结构柱脚形式.pdf

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    浅析钢结构柱脚形式.pdf

    第38卷第5期 2012年10月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 43 浅析钢结构柱脚形式 李祖婷,杨婷连,王 宁 桂林理工大学建筑与土木工程学院,广西桂林541004 摘要在建筑结构设计过程中,可根据结构形式、设计要求及工程中水文地质条件的不同,选择不同形式的柱脚。 本文从钢结构柱脚的分类形式人手,对不同形式的柱脚进行了分析,分别从受力特点、构造方式等方面进行比较。 最后结合选择柱脚形式时应考虑的各方面因素,给出了选择钢结构柱脚形式的建议。 关键词柱脚;埋入式;外露式;外包式;插入式 中图分类号TU391 文献标识码B 文章编号1008193320120504304 O 引 言 柱脚的作用是将柱的下端固定于基础,并将柱 身的内力传给基础。柱脚按受力性能的不同可分为 刚接和铰接。一般情况下,轴心受压柱多用铰接柱 脚,只承受轴力和剪力,而偏心受压柱多用刚接柱 脚,要承受轴力、剪力和弯矩。其中,刚接柱脚可采 用埋人式、外包式、外露式,埋人式的整体装配式称 为插入式;铰接柱脚可以外包式和外露式的形式实 现。按施工方式的不同,埋人式、外包式为现浇式; 外露式、插入式为装配式。本文将对埋人式、外露式 和外包式中的刚接作详细论述,其他部分仅作简单 说明。 1 不同形式柱脚的比较 1.1 埋入式 将钢柱底部相当于柱子截面高度两倍左右的长 度埋人刚度较大的地下室墙或基础梁混凝土中,周 围用钢筋混凝土加强。埋入式柱脚一般有两种形 式,一种是先将钢柱组装固定,后浇钢筋混凝土基础 梁;另一种是在浇筑钢筋混凝土基础梁时预留钢柱 洞口,然后安装钢柱,再浇灌混凝土图1。 1.1.1 受力分析 1轴力 在柱子承受的总轴力中一部分由柱翼缘Ⅳf 承担,其余部分传给混凝土。由混凝土承担的轴力 按下述方式传递柱的轴向压力,由柱脚底板传给其 下混凝土,由混凝土对柱底板的承压力Ⅳ。 抵抗; 柱的轴向拉力,则是通过柱脚底板悬出部分传给其 收稿日期2011-0510 作者简介李祖婷1987一,女,河北临西人,防灾减灾与工程防护 专业在读研究生。 Emaillittlelulu777sina.eom T圃筋 。 壁塞 整垡 / \堂堡 一1-1 图1埋入式柱脚构造 上方的混凝土基础,由混凝土的承压力Ⅳpn抵抗, 或通过锚栓与混凝土的粘结力直接传给基础 。 轴力传递路径如图2所示。 轴向压力 轴向拉力 图2埋入式轴力 2弯矩 埋人式柱脚通过混凝土对钢柱的承压力传递弯 矩。现存在两种弯矩的传力机制一种是将弯矩考 虑为等效轴力J7v ,并作用于翼缘。柱子的轴心压力 』v由整个柱身截面承受,并认为Ⅳ 与Ⅳ之和的1/3 由整个截面传给底板,由底板承受,其余2/3由埋入 段柱身表面栓钉与混凝土的粘结力传给混凝土基 础;另一种认为全部弯矩由柱翼缘传给混凝土,由混 凝土的承压力来传递荷载图3。这两种传力机制 的区别在于,前者栓钉起到重要作用,弯矩是通过栓 四川建筑科学研究 第38卷 钉的抗剪传给混凝土的,此时栓钉的抗剪承载力验 算及其与混凝土的粘结力显得尤为重要,这种机制 适用于小偏压状态;后者认为弯矩由柱翼缘的承压 直接传给混凝土,此时要进行混凝土的抗压强度验 算。虽然栓钉在这种传力机制下作用不明显,但为 了保证柱脚的整体性,仍应设置栓钉。这种机制适 用于大偏压状态。 钢柱 //// 栓钉 M 、o 口 I f Ⅳf 口 ,畦 口 噼 口 rⅡ1 J1 图3埋入式弯矩 对比弯矩的两种传力机制,将它们进行比较,比 较结果见表1。 表1 埋入式柱脚弯矩的两种传力机制 路径 适肝 . . r柱截面一底板 栓钉受剪重要的 一Ⅳm Ⅳi翼缘一栓钉 壁 ; 墼混凝土装呈 囊箨 小偏压 二 翼缘 混凝土 大偏压 3剪力 柱脚水平剪力由翼缘与基础或基础梁的混凝土 承压力来传递。混凝土对钢柱的压力通过位于柱脚 上部的加劲肋和柱腹板传递,由加劲肋的轴力来平 衡。水平剪力对于基础地梁来说产生轴力,在地梁 的反力作用下,中柱周围的混凝土处于受压状态,对 锚固钢柱非常有利。 1.1.2构造要求 1由于钢柱的存在使基础梁上皮钢筋不好贯 通,所以要在钢柱埋入部分的顶部对应部位设置腹 板和加劲肋,翼缘外侧焊接钢板。 2考虑钢柱与}昆凝土的粘结,为防止埋入部分 和周围混凝土有较大的分离,可在埋人部分焊上栓 钉。 3钢柱周围的混凝土地梁的钢筋要加密,以防 止在往复的地震荷载作用下发生混凝土的压碎。 4边柱和角柱柱脚周边的混凝土,受到柱底部 的弯矩和剪力的作用,产生很大压力,为防止冲切破 坏,要保证有足够的混凝土外包层厚度,一般不小于 250 mm。而中柱此问题不大,一般不小于180 mm。 1.1.3特 点 埋人式柱脚的构造比较合理,易于安装就位,柱 脚的嵌固性容易保证。但施工难度偏大,工序多,对 工期不利,而且用于钢柱定位的地脚螺栓也是不可 或缺的。 由于是将柱底部埋人刚度较大的基础梁中,因 此,埋入式柱脚的刚度能得到很好的保证。 1.2插入式 基础上留杯口,将柱插入,在钢柱与基础杯口之 间通过浇筑细石混凝土固定钢柱,当柱在荷载组合 下出现拉力时,可采用预埋锚栓或柱翼缘设置焊钉 等方法图4。插入式为埋人式的整体装配式。 图4插入式柱脚构造及受力 传力方面,与埋人式中的大偏压类似,由混凝土 的承压力将荷载传递给基础。 构造方面钢柱在基础杯口上方70~120 mm 高度处应设腹板加劲肋;钢柱翼缘与基础杯口侧面 的距离为3O一100 mm;钢柱底板与基础杯口底面的 距离为3O~70 mm;钢柱插人杯口的深度不小于 1.5 h及1/20 为柱截面高度,为钢柱长度。 特点柱脚板件少,制作简单,焊接工作量小,且 焊接要求低,构造简单,便于安装和施工,解决了现 浇式柱脚施工难度大、工序多的弊病。但其可靠性 不如现浇式。 1.3外露式 将柱底部与相对刚度较大的底板焊接连接,底 板用预埋在混凝土基础中的锚栓固定图5,6。 图5外露式柱脚构造 1.3.1 受力分析 1轴力 柱身传来的压力首先经过柱身和底板间的四条 焊缝传给底板,再由底板把压力传给混凝土基础。 因为底板与昆凝土之间不能承受拉力,当底板出现 李祖婷,等浅析钢结构柱脚形式 45 水平 图6刚接外露式柱脚 拉力时 由嵌固在基础中的锚栓来承担。 2剪力 铰接型的剪力主要由柱脚底板与其下部的混凝 土之间的摩擦力来承担,过大的剪力也由抗剪键来 承担。一般不利用锚栓来承受剪力。 3弯矩 由柱底板直接传给基础,通过混凝土的承压抵 抗;由弯矩产生的拉力通过锚栓的受拉抵抗。 1.3.2 构造要求 1由于混凝土的强度远低于钢材,所以必须在 柱脚底部加一块较大的底板,以增加其与基础顶部 的接触面积,使基础顶面的压应力不大于混凝土的 抗压强度设计值。底板厚度一般不应小于20 mm, 且不应小于钢柱翼缘厚度。底板的尺寸要通过计算 确定。 2刚接锚栓要承担底板拉力,因此应根据计算 确定锚栓直径,且不应小于24 mm,要有足够的埋人 深度以保证锚栓与混凝土之间有足够的粘结力,使 之在受拉时不被拔出。 3铰接柱脚的锚栓不能承受水平剪力,而底板 与混凝土之间的摩擦力有限,因此如果剪力与柱轴 力相比较大大于0.3倍时应设抗剪键。 4为了便于安装与调整,底板上的锚栓孔应比 栓杆直径大0.20.5倍,或做成开敞式的U型缺 口,待安装就位后,将垫板与底板焊死固定。由于底 板开孔较大,应设置锚栓螺母垫板,并采用双螺母紧 固。 5铰接柱脚不承受弯矩,其锚栓设在翼缘内 侧,一般为两个或4个;刚接柱脚锚栓应设在翼缘外 侧,而且一般多于4个,此外还应设置加劲肋,以加 强柱脚刚度。荷载大、嵌固要求高时,应增设支承托 座图5。 6为保证柱脚的承载力,柱翼缘与底板间应采 用全熔透坡口对接焊缝连接。 1.3.3特点 外露式柱脚为装配式,施工进度相对较快,但底 板及锚栓系统的构造导致用钢量较大,且板件构造 复杂,制作和焊接工作量繁重。 外露式柱脚由双螺栓锚固于基础上,必要时还 设有支承托座,因此其刚度虽不比埋人式,但也在一 定程度上有较好的保证。 1.4外包式 将钢柱直接置于地下室墙或基础梁顶面,并在 钢柱底部相当于柱子截面高度2.53倍范围内,用 钢筋混凝土包裹图7。 柱~ , ,, 。,, _/ , 庐 、 / ‘ -●一 / / / / / / / / / / 图7外包式柱脚构造 1.4.1 传力 外包式柱脚的传力机制与埋人式相似。在外包 式柱脚中,栓钉起重要的传力作用,这种柱脚的力学 行为主要由外包钢筋混凝土的力学行为决定图 8。 Q 二 /7 匡 /\ E / Ⅳ 钢柱承受的轴力 / / ’ O 钢柱剪力外包混凝土剪力 d 图8外包式传力简图 1轴力 轴向压力,由柱脚底板传给混凝土;轴向拉力则 是通过柱脚底板悬出部分将其上混凝土的反向压力 ~ 46 四川建筑科学研究 第38卷 传给混凝土基础,或通过锚栓、外包垂直纵向主筋与 混凝土的粘结力直接传给基础。其中一部分由纵向 主筋承担,由于布置了栓钉,必然有一部分轴力传到 混凝土上,因此钢柱在外包钢筋混凝土高度范围内 的轴力向下逐渐减小,而钢筋混凝土承担的轴力逐 渐增大。 2弯矩 柱脚顶部弯矩由柱两侧翼缘的受拉、受压来平 衡,翼缘由此承受的轴向力有一部分又通过栓钉的 抗剪传给外包的钢筋混凝土,再传给钢筋混凝土基 础或基础梁。因此,柱脚外包部分的弯矩由两部分 平衡柱脚两侧翼缘的轴向力及外包混凝土的受力。 两者所承受的弯矩要按照各自的抗弯刚度进行 分配由于钢筋混凝土在钢柱外围,其截面惯性矩大 于钢柱,因此外包钢筋混凝土的抗弯刚度大于钢柱 的抗弯刚度。所以在外包部分钢柱弯矩下降,外包 混凝土弯矩上升,并且弯矩大部分由外包混凝土承 担。由于柱脚底部近似于铰接,所以近似认为在柱 脚底部弯矩全部由混凝土承担。 3剪力 主要由外包钢筋混凝土和箍筋共同承担,即由 腹板承受剪力,通过栓钉的抗剪及柱脚周围的箍筋 传给外包混凝土及其中的主筋,再传给基础。 在柱脚外包部分,钢柱承担的弯矩是下降的,而 剪力是弯矩的导数,因此剪力在外包部分是反号的, 即钢柱在外包部分承受反向剪力。 1.4.2 构造 应有足够的包脚高度及混凝土保护层厚度;混 凝土外包高度与埋人式柱脚的埋人深度相同;为了 可靠锚固纵筋,在顶部纵筋要做成弯钩状,下弯不得 小于150 mm,并最好与钢柱焊接。 1.4.3特点 在内力的传递和分配中,外包钢筋混凝土起到 重要的作用,因此对混凝土的施工要求很高。由于 外包混凝土保护层厚度的限制,其嵌固性不如埋人 式,但施工工艺较简单。 便,节约钢材,节点刚度大。由于插入式柱脚刚度 大,又解决了埋人式柱脚施工难度大、工序多的弊 病。对于单层厂房,尤其是有型钢混凝土过渡层的 型钢柱脚,采用插人式要比埋入式、外包式在工种配 合、进度安排、构造方面都有显著优点,值得推广。 但其可靠性不如埋人式,建议用于单层厂房,不适合 高层钢结构。 外包式柱脚虽然也有混凝土包裹,但由于柱脚 与基础是通过埋人较深的钢筋和锚栓连接,使这种 形式柱脚的用钢量较大。并且由于外包混凝土保护 层厚度的限制,使柱脚和基础的嵌固不如埋人式的 牢固。但施工较埋人式的简单。 外露式柱脚相比于其他两种柱脚形式,其现场 安装、定位方便使得在施工方面具有优越性。但由 于底板尺寸较大,在建筑处理上比较困难,必要时还 应设置桩靴。又其刚接形式是通过预埋与基础内的 锚栓实现的,其嵌固性及刚度不能得到很好的保证。 2.2建议 由以上总结对比分析,并参照钢结构设计规范, 给出以下几点建议 1高层建筑结构和大跨空间结构钢骨混凝土 组合结构、钢框架结构中超过l2层的框架柱柱脚反 力很大,宜采用埋人式;抗震设计时混合结构中的钢 柱柱脚应采用埋人式;型钢混凝土柱宜采用埋人式。 2刚架高度较高,柱脚弯矩较大时宜用外包式 或埋入式。 3抗震设计中,6,7度区可采用外包式柱脚,但 8度及以上应采用埋人式。不应采用铰接式柱脚, 且应保证柱全截面屈服时的承载力。框架柱的柱脚 宜采用刚接的外露式,当有条件时亦可采用外包式。 4当高层结构设地下室时,可采用外包式柱 脚。仅传递垂直荷载的铰接柱脚可采用外露式。 5高层刚框架柱与基础的连接,一般采用刚性 柱脚,轴心受压柱可设计成铰接柱脚。 6插入式一般用于单层结构厂房,不适合高层 钢结构建筑。 2 结 论 参考文献 2.1 总结对比 埋人式柱脚由于是将柱脚埋人刚度较大的地下 室或基础梁的混凝土中,使钢柱底部容易满足形成 塑性铰的要求,柱脚的嵌固性和刚度容易保证,且抗 震性能较好。但由于施工时要在基础中预留LN, 使其在施工工艺上有一定的难度。可用于对柱脚抗 震及刚度要求较大的结构。 插入式柱脚为装配现浇式,构造简单,安装方 [1] 童树根.钢结构设汁方法[M].北京中国建筑工业出版社, 2007. 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