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(lèi)型7.2 國(guó)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(lèi)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，但是端承板越大，端承板底面高度處基礎(chǔ)混凝土

2、有效抗拉截面越小。這種錨栓在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。7.1 錨栓的類(lèi)型歐美國(guó)家主張避免在錨栓端頭上設(shè)置金屬板來(lái)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(lèi)型英國(guó)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(guó)內(nèi)外對(duì)錨栓研究的概況國(guó)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

3、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(guó)內(nèi)外對(duì)錨栓研究的概況國(guó)外研究情況 國(guó)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(guó)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(zhuān)門(mén)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。 1uyeTf AeAeA2ud

4、tTl dfddltf7.2.1 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(jiǎn)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。 300.66(/ 2)utddTfldl0d30.66utceTf AceA7.2.1 錨栓僅受拉力情況由 和 可以確定錐體破壞決定的埋入長(zhǎng)度，有兩者確定的埋入長(zhǎng)度比較見(jiàn)下表7-1。12uuTT13uuTT7.2.2 錨栓僅受剪力情況剪力由錨栓通過(guò)承壓傳給周?chē)炷?，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

5、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(wú)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)装迮c基礎(chǔ)混凝土之間有一層較弱的灰漿層隔開(kāi)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用來(lái)抗剪。7.2.2 錨栓僅受剪力情況若錨栓群組通過(guò)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(kāi)，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(guò)承壓形成抗剪能力。7.

6、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(méi)有微小滑移的情況下，剛體轉(zhuǎn)動(dòng)不斷發(fā)展?；A(chǔ)外伸邊緣尺寸過(guò)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）?；炷量箟簭?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?；A(chǔ)混凝土抗剪強(qiáng)度不足，使錨栓周?chē)幕炷裂?5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)

7、量。 03yebf AVn0nmbveVnfA2130/mvfN mmn7. 3 錨栓既受拉力又受剪力的情況3.國(guó)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)bssutVAfsAutf210.54bceccVdE fedcf7. 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

8、埋板頂面與基礎(chǔ)混凝土面平齊的情況。(40.08 )cbysyfVdf Af(40.08 )0.7cyfdfd7. 3 錨栓既受拉力又受剪力的情況5.英國(guó)的方法 英國(guó)對(duì)柱底板上孔徑的要求是： 當(dāng) 時(shí) 當(dāng) 時(shí)6.美國(guó)核工業(yè)結(jié)構(gòu)預(yù)埋件設(shè)計(jì)規(guī)定（ACI349-85） 05dd20dmm08dd24dmm7.4 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(guó)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)。 1.251.6bttvNNNbttNNbtNtNvNvteyCNNA f

9、0.937.4 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。max00.4()3yyefVTNn A221vtbbvtNNNN7.5 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(guó)錨栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值僅為歐美等國(guó)家的2/33/4。3.我們國(guó)家規(guī)定不考慮錨栓抗剪，相反，英國(guó)有只能抗剪不能抗拉的錨栓。4.在多少錨栓參與抗剪的問(wèn)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)

10、。6.錨栓抗剪和摩擦力抗剪是否能同時(shí)考慮？ 英國(guó) 不考慮摩擦力抗剪 美國(guó) 同時(shí)考慮錨栓和摩擦力抗剪 李德滋 超過(guò)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(zhǎng)度x）,必須建立第三個(gè)方程才能求解000(/2)( /2)RhN ehhZhMN hc或RNZ7.6.1 各種計(jì)算方法介紹1.德國(guó)采用的方法。2.我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)的簡(jiǎn)化法。3.美國(guó)采用的方法。4.固定混凝土應(yīng)力，混凝土壓應(yīng)力

11、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(guó)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(guó)的設(shè)計(jì)方法比較保守。2.德國(guó)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(guó)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(guó)計(jì)算方法屬同一類(lèi)，但更簡(jiǎn)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(guó)、英國(guó)和德國(guó)的方法進(jìn)行了精致

12、化處理。（較好的下限法）7.6.4 柱腳底板厚度的確定情況1.柱無(wú)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60.5tfpN etbf7.6.4 柱腳底板厚度的確定情況2:兩相鄰邊支承的板，ffwweeceed26()0.5/twfpffwfwN e etec ebebeef26()(2/)0.5twfpffwfwN e eteceeebefffwweeceed7.6.4 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：223(44)ftpffbe Ntcebef22223(46)ftpfff

13、be cNte cc eb cb ef7.7 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)sfC bC bC bNheM123CCCNZ7.8 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(lái)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)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

14、同作用不能采用鋼-混凝土組合構(gòu)件理論來(lái)解決，因?yàn)橥獍炷另敳?，由混凝土承受的彎矩等?，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(méi)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(guò)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:crMQh從彎矩和剪力的傳遞看，外包混凝土應(yīng)看成是鋼柱的支座，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：,csuudNdNqqdxdx

15、0uqks10sssNE Au20cccNE A u01020ssNsuuE 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苿偠鹊撞炕炷脸惺艿膲毫Γ?sinh(sinhcosh)coshusskNlqksxxE Al 1cosh1(1)1/coshssscclNNE AE Al 0()ssccssscck E AE AklllE AE A E Akcosh1coshcccccssE AlNNlE AE A7.8.3 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

16、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。pt2ccNfA7.8.3 外包式柱腳的設(shè)計(jì)方法4.如果底板厚度太大，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(guò)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(zhǎng)度以及開(kāi)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)cNNccsccA fNA fA f7.9 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(méi)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力很可能不能得到