鋼結(jié)構(gòu)——鋼柱腳錨栓的設(shè)計(jì)方法

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 鋼柱腳錨栓的設(shè)計(jì)方法 主要內(nèi)容 7.1 錨栓的類型 7.2 國內(nèi)外對(duì)錨栓研究的概況 7.3 錨栓抗剪的計(jì)算方法 7.4 錨栓抗拉和抗剪計(jì)算方法 7.5 單個(gè)螺栓承載力總結(jié) 7.6 錨栓內(nèi)力計(jì)算 7.7 基于極限狀態(tài)的柱腳設(shè)計(jì)方法 7.8 外包式柱腳設(shè)計(jì) 7.9 埋入式鋼柱腳的傳力分析與設(shè)計(jì) 7.1 錨栓的類型 錨栓分為：鉆孔錨栓和灌注錨栓。本章主要介 紹灌注錨栓。 根據(jù)埋入端形狀的不同分為：L形、J形、帶釘 頭以及帶錨板四種。 L形及J形錨栓是依靠粘結(jié)錨固的錨栓，但L形 錨栓可能從混凝土中拔出，產(chǎn)生不穩(wěn)固的破壞 模式。J形錨栓的彎鉤是構(gòu)造要求。 帶端承板的錨栓是承壓型錨栓，但是

2、端承板越 大，端承板底面高度處基礎(chǔ)混凝土有效抗拉截 面越小。這種錨栓在我國得到廣泛應(yīng)用。 7.1 錨栓的類型 歐美國家主張避免在錨栓端 頭上設(shè)置金屬板來提高抗拔 出強(qiáng)度。 原因： （1）端頭鋼板所起的 作用僅僅是從錨栓中心線向 外延展被拔出的圓錐體，這 對(duì)增強(qiáng)錨栓抗拉承載力所起 的作用與增加埋深是一樣的； （2）后者的制作成本 更低。 7.1 錨栓的類型 英國廣泛采用基礎(chǔ)上帶預(yù)留孔的灌注錨栓。 錨栓直徑較?。?6）的情況：如下圖（a） 錨栓直徑較?。?6）的情況：如下圖（b） 7.2 國內(nèi)外對(duì)錨栓研究的概況 國內(nèi)研究情況 （1）李德滋 靜力性能 目前的柱腳設(shè)計(jì)方法以文獻(xiàn)1（李德滋. 鋼柱柱腳錨

3、栓的應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)）為基礎(chǔ)。 （2）于安麟 抗震性能 文獻(xiàn)6-8是在柱腳滯回曲線試驗(yàn)研究基 礎(chǔ)上提出了確定整個(gè)柱腳節(jié)點(diǎn)抗彎和抗剪承載 力的方法。 7.2 國內(nèi)外對(duì)錨栓研究的概況 國外研究情況 國外更加關(guān)注單個(gè)錨栓的承載力，破壞方式 等，對(duì)第二方面的研究卻很少。 美國ACI349-85核能結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄B對(duì)錨 栓的計(jì)算和設(shè)置有詳細(xì)的要求，還專門編制了 錨栓的設(shè)計(jì)導(dǎo)則。 7.2.1 錨栓僅受拉力情況 1.錨栓桿達(dá)到抗拉承載力極限。（希望的破壞形式） 錨栓拉斷承載力為： 為錨栓有效抗拉面積， 為錨栓的屈服強(qiáng)度。 2.基礎(chǔ)混凝土與錨桿的粘結(jié)破壞。 取粘結(jié)應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度 相同， 為錨栓桿直徑， 為埋

4、入深度。 由于粘結(jié)強(qiáng)度低，為防止粘結(jié)破壞，要求采用較 大的埋入深度。 1uye Tf A e A e A 2udt Tl df d d l t f 7.2.1 錨栓僅受拉力情況 3.圓錐形混凝土達(dá)到抗拉承載極限。 單個(gè)錨栓：采用水平投影面進(jìn)行計(jì)算，混凝土抗拉 力計(jì)算簡化為 , 為錨栓釘頭直徑 錨栓群：考慮各錨栓破壞錐體相互重疊的情況。 ， 為從屬于該錨栓的 錐體水平投影面積。 30 0.66(/ 2) utdd Tfldl 0 d 3 0.66 utce Tf A ce A 7.2.1 錨栓僅受拉力情況 由 和 可以確定錐體破壞決定的埋 入長度，有兩者確定的埋入長度比較見下表7- 1。 12u

5、u TT 13uu TT 7.2.2 錨栓僅受剪力情況 剪力由錨栓通過承壓傳 給周圍混凝土，剪力使 錨栓受彎，錨栓彎曲使 混凝土壓碎。試驗(yàn)表明， 若不存在底板，高度約 為螺栓直徑1/4的楔形 混凝土塊能自由形成并 完全破碎，此時(shí)錨栓節(jié)點(diǎn)的抗剪剛度急劇減 小。上部無約束的楔體在受力作用下，將向 上翻轉(zhuǎn)。 7.2.2 錨栓僅受剪力情況 當(dāng)距離增大時(shí)，錨栓彎曲變 形很明顯，抗剪剛度減小。 這種節(jié)點(diǎn)的一個(gè)例子是當(dāng)?shù)?板與基礎(chǔ)混凝土之間有一層 較弱的灰漿層隔開或高位錨 栓，灰漿的存在使得在剪力 作用下錨栓能較自由地彎曲 變形。當(dāng)錨栓在剪力作用下 向一側(cè)傾斜時(shí)，錨栓中形成 斜拉力，錨栓依靠混凝土的 錨固作

6、用來抗剪。 7.2.2 錨栓僅受剪力情況 若錨栓群組通過一塊 底板承受剪力，且底 板埋置在混凝土中 (如右圖c)，荷載將 以更加有效的方式傳 遞開，因此此時(shí)底板 下的混凝土受到更大 的約束，而且底板邊 緣混凝土通過承壓形 成抗剪能力。 7.2.3 錨栓既受拉力又受剪力的情況 受拉側(cè)的錨栓屈服，柱腳在有或沒有微小滑移的情況下，剛 體轉(zhuǎn)動(dòng)不斷發(fā)展。 基礎(chǔ)外伸邊緣尺寸過小，致使在底板壓力作用下的混凝土基 礎(chǔ)邊緣外被壓裂（劈裂）。 混凝土抗壓強(qiáng)度不足，在壓力作用下基礎(chǔ)發(fā)生局部承壓破壞。 錨栓端部的錨固力不足，整個(gè)錨栓呈錐體拔出。 錨栓粘結(jié)力不足被拔出。 基礎(chǔ)混凝土抗剪強(qiáng)度不足，使錨栓周圍的混凝土沿45

7、斜線 剪壞。 錨栓受剪彎曲時(shí)，與錨栓接觸的混凝土產(chǎn)生永久變形而破壞。 7. 3 錨栓既受拉力又受剪力的情況 1.于安麟等建議的方法 式中， 為修正系數(shù)，低位錨栓可以取0.65， 高位錨栓可以取0.4。 為參與抗剪的錨栓總 數(shù)。 2.李德滋等建議的方法 式中， ， 為錨栓數(shù)量。 0 3 ye b f A Vn 0 n m bve VnfA 2 130/ m v fN mmn 7. 3 錨栓既受拉力又受剪力的情況 3.國外研究結(jié)論 a. (配合抗力分項(xiàng)系數(shù)1.111使用) 式中， 為錨栓毛截面面積， 為錨栓抗拉極限強(qiáng)度。 b. (配合抗力分項(xiàng)系數(shù)1.5使用) 式中， 為錨栓直徑， 為圓柱體混凝土抗

8、壓強(qiáng)度。 錨栓的抗剪承載能力取上面兩個(gè)中的較小值。 (0.75) bssut VAf s A ut f 2 1 0.5 4 bcecc VdE f e d c f 7. 3 錨栓既受拉力又受剪力的情況 4.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）預(yù)埋 件設(shè)計(jì)方法 其中， 時(shí)取0.7， 為錨栓直徑。 該式主要是對(duì)錨栓直徑小于等于25的情況，且 只適用于埋板頂面與基礎(chǔ)混凝土面平齊的情況。 (40.08 ) c bys y f Vdf A f (40.08 )0.7 c y f d f d 7. 3 錨栓既受拉力又受剪力的情況 5.英國的方法 英國對(duì)柱底板上孔徑的要求是： 當(dāng) 時(shí) 當(dāng) 時(shí) 6.

9、美國核工業(yè)結(jié)構(gòu)預(yù)埋件設(shè)計(jì)規(guī)定（ACI349- 85） 0 5dd 20dmm 0 8dd24dmm 7.4 錨栓抗拉和抗剪計(jì)算方法 1.李德滋教授推薦的計(jì)算方法 式中， 為每個(gè)錨栓單純受拉時(shí)的抗拉能力， ， 分別為每個(gè)錨栓同時(shí)承受的拉力和剪力。 2.美國ACI349-85計(jì)算方法 式中， ，C為剪切系數(shù)，等于摩擦系數(shù)和 乘積的倒數(shù)。 1.251.6 b ttv NNN b tt NN b t N t N v N vtey CNNA f 0.9 3 7.4 錨栓抗拉和抗剪計(jì)算方法 3.于安麟等建議的方法 上式的摩擦抗力考慮了錨栓拉力使得基礎(chǔ)混凝 土反力增加的有利影響。 4.按照普通螺栓的拉剪聯(lián)合

10、作用曲線 取抗剪和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與普通螺栓完全相同。 max0 0.4() 3 y ye f VTNn A 22 1 vt bb vt NN NN 7.5 單個(gè)螺栓承載力總結(jié) 1.前文介紹的各種方法都有其合理的地方。 2.我國錨栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值僅為歐美等國家的 2/33/4。 3.我們國家規(guī)定不考慮錨栓抗剪，相反，英國 有只能抗剪不能抗拉的錨栓。 4.在多少錨栓參與抗剪的問題上，存在不同的 做法，它與錨栓的構(gòu)造有關(guān)。 7.5 單個(gè)螺栓承載力總結(jié) 5.錨栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)該取多大？存在不 同的觀點(diǎn)。 6.錨栓抗剪和摩擦力抗剪是否能同時(shí)考慮？ 英國 不考慮摩擦力抗剪 美國 同時(shí)考慮錨栓和摩擦力抗剪

11、 李德滋 超過摩擦力的部分由錨栓抗剪 7.6 錨栓內(nèi)力計(jì)算 各種計(jì)算方法才用不同的混凝土壓應(yīng)力分布曲 線。 確定分布曲線后，可以建立兩個(gè)平衡方程: 式中，R為混凝土的壓應(yīng)力合力，e=M/N,h0為錨栓至 壓力最大側(cè)底板邊的距離。 有三個(gè)未知量（錨栓拉力z，混凝土最大壓應(yīng)力和 混凝土受壓邊長度x）,必須建立第三個(gè)方程才能求 解 000 (/2)( /2)RhN ehhZhMN hc或 RNZ 7.6.1 各種計(jì)算方法介紹 1.德國采用的方法。 2.我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)的簡化法。 3.美國采用的方法。 4.固定混凝土應(yīng)力，混凝土壓應(yīng)力分布為矩形的極 限狀態(tài)法。 5.鋼筋混凝土梁彈性比擬法。 6.英國

12、采用的方法。 7.李德滋教授建議的方法。 8.于安麟等建議的方法。 9.蘇聯(lián)寇洼里斯基。 7.6.3 對(duì)各種方法的評(píng)論 1.我國的設(shè)計(jì)方法比較保守。 2.德國方法滿足平衡條件，不違背強(qiáng)度條件。 3.固定混凝土最大應(yīng)力，應(yīng)力分布三角形法，滿足平衡條件。 4.固定混凝土最大應(yīng)力，應(yīng)力分布矩形法，滿足平衡條件、 屈服條件和機(jī)構(gòu)條件。 5.英國方法假定了混凝土壓力合力作用點(diǎn)的位置，只滿足彎 矩平衡，與我國計(jì)算方法屬同一類，但更簡單。 6.鋼筋混凝土彈性梁比擬法，滿足平衡條件、不違背強(qiáng)度條 件。（平截面假定） 7.李德滋教授建議的方法，是將我國、英國和德國的方法進(jìn) 行了精致化處理。（較好的下限法） 7.

13、6.4 柱腳底板厚度的確定 情況1.柱無外伸加勁肋的部分（圖a），此時(shí) 只有一條塑性絞線，因此柱腳底板的厚度為： 式中，Nt為一個(gè)錨栓承受的拉力。 a.懸臂板塊 6 0.5 tf p N e t bf 7.6.4 柱腳底板厚度的確定 情況2:兩相鄰邊支承的板， ff ww eec eed 2 6 ()0.5/ twf p ffwfw N e e t ec ebebeef 2 6 ()(2/)0.5 twf p ffwfw N e e t eceeebef ff ww eec eed 7.6.4 柱腳底板厚度的確定 情況3：三邊支承的板塊（如圖d）： 情況4：四邊支承的區(qū)塊： 22 3 (44)

14、 ft p ff be N t cebef 2222 3 (46) ft p fff be cN t e cc eb cb ef 7.7 基于極限狀態(tài)的柱腳設(shè)計(jì)方法 下圖給出了三種柱腳，受壓區(qū)分成三個(gè)區(qū)塊，平衡 條件如下： 1 1223 3 (0.5) sf C bC bC bNheM 123 CCCNZ 7.8 外包式柱腳設(shè)計(jì) 外包式剛接柱 腳是：將鋼柱 用混凝土包起 來形成的柱腳。 7.8.1 外包式柱腳及其傳力分析 外包式柱腳傳力分析： 1.軸力的傳遞（如右圖所 示）。 由于布置了錨釘，在向下的鋼 柱軸力作用下，必然會(huì)有一部 分軸力傳遞到混凝土上，因此 鋼柱軸力向下逐漸變小，而混 凝土內(nèi)

15、軸力逐漸變大。 7.8.1 外包式柱腳及其傳力分析 2.彎矩的傳遞（如右圖所 示）。 經(jīng)研究表明：鋼柱外包混凝土的柱 腳，即使在彈性階段，兩者的共同 作用不能采用鋼-混凝土組合構(gòu)件 理論來解決，因?yàn)橥獍炷另敳浚?由混凝土承受的彎矩等于0，但是 組合構(gòu)件理論要求鋼和混凝土兩者 曲率相同，導(dǎo)致混凝土頂部理論上 有彎矩而實(shí)際上沒彎矩。 7.8.1 外包式柱腳及其傳力分析 3.剪力的分布。 柱承受的總剪力是Q,按照常理， 鋼柱和外包混凝土各承擔(dān)一部 分，但通過右圖d所示發(fā)現(xiàn)，外 包混凝土承擔(dān)的剪力要比鋼柱 承擔(dān)的剪力還要大,其值為: c r M Q h 從彎矩和剪力的傳遞看，外包混凝土應(yīng)看成是鋼柱

16、的 支座，而不應(yīng)被看成與鋼柱共同工作的一部分。 7.8.2 外包式柱腳中軸力的傳遞 微元平衡方程: 單位高度上的界面抗滑移力為： 以拉為正 以拉為正 邊界條件： , cs uu dNdN qq dxdx 0u qks 10sss NE Au 20ccc NE A u 01020 ss N suu E A 7.8.2 外包式柱腳中軸力的傳遞 混凝土和鋼截面上的界面剪力： 底部截面鋼柱軸力: 式中， ， 為栓釘?shù)目够苿偠?底部混凝土承受的壓力： 0 sinh (sinhcosh) cosh u ss kNl qksxx E Al 1cosh1 (1) 1/cosh s sscc l NN E A

17、E Al 0 () sscc ssscc k E AE Ak lll E AE A E A k cosh1 cosh cc c ccss E Al NN lE AE A 7.8.3 外包式柱腳的設(shè)計(jì)方法 1.包腳剛度：H形截面柱，以2.5倍柱高為宜，上下允許浮動(dòng) 10%；箱型截面柱和矩形鋼管混凝土截面柱，以3倍柱高為宜， 上下允許浮動(dòng)10%，向下浮動(dòng)時(shí)，構(gòu)造措施要加強(qiáng)。 2.在包腳高度范圍內(nèi)應(yīng)按照構(gòu)造要求，盡量多地布置栓釘， 栓釘直徑為19或22，不宜更小。 3.鋼柱底板厚度的確定。 選擇 ，直到上式滿足為止。 p t 2 c c N f A 7.8.3 外包式柱腳的設(shè)計(jì)方法 4.如果底板厚度

18、太大，則允許分配一部分鋼柱壓力到混凝土， 分配的比例按照式（7-44）計(jì)算，或者直接分配混凝土承擔(dān) 的比例為 ,但是分配比例不得超過抗壓強(qiáng)度比， 即： 。 5.栓釘數(shù)量的驗(yàn)算。 6.鋼柱底板伸出柱邊長度以及開孔布置。 7.計(jì)算外包混凝土中的配筋。 8.如果已經(jīng)分配一部分柱壓力到外包的混凝土，則還要驗(yàn)算 外包混凝土中的壓應(yīng)力。 9.柱腳抗剪計(jì)算 10.對(duì)于抗剪設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，按照強(qiáng)剪弱彎的原則，即按照式 （7-37）計(jì)算出外包混凝土承擔(dān)的剪力，與式（7-51）的右 邊進(jìn)行比較。 (0.2 0.3) c NN cc scc A f N A fA f 7.9 埋入式鋼柱腳的傳力分析與設(shè)計(jì) 7.9.1 中柱的埋入式柱腳 7.9.1 中柱的埋入式柱腳 1.軸力的傳遞。 埋入式柱腳軸力的傳遞與外包式柱腳沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是 此時(shí)參與傳力的混凝土面積有所增加。由于栓釘屬于柔性連 接件，達(dá)到其極限抗滑移承載能力之前要經(jīng)受較大的變形， 而與組合梁不同的是，這里鋼柱腳底部下面也是鋼筋混凝土， 它不能與栓釘破壞時(shí)的變形協(xié)調(diào)，因此栓釘?shù)某休d力