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钢结构入门-柱脚设计与施工

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钢结构入门-柱脚设计与施工

发布日期:2019-07-05 作者: 点击:

  一、 柱脚类型与力学性能

  

  (1) 外露式柱脚外露式柱脚将柱的底部与相对而吉刚度较人的底板焊接连接,底板用预埋在混凝土基础中的锚栓固定。这种形式自钢结构发展的早期阶段即开始使用至今天。传统上柞脚按铰接或刚接柱脚进行分类使用,但是,前者难以得到完全的铰接,或者虽然能够传递一定的弯矩,但不能满足完全问接的刚性条件,从力学概念上说,作为半刚接连接考虑更加合适。这种类型柱脚传递弯矩的原理模式如(图1)所示。柱脚上,作用着轴力、弯矩和剪力。其中拉力内锚由负担、压力通近柱脚底板和混凝土基础的接触传递.剪力则由柱底板与基础接触面的摩擦抵抗或由锚栓传递。

  

  图1外露式柱脚的传力原理

  

  一般的外露式柱脚、与柱根部截面的全塑性弯矩相比,多数情况下由锚栓屈服所确定的柱底塑性弯矩较小。这种柱脚受弯矩的力学行为,土要内锚栓的性能决定。其荷载一变形关系如(图2)所示。如锚栓受拉屈服后能够充分发展塑性变形,则承受受反复荷载时外露式柱脚的恢复力特性如(图3)所示。但是目前实际工程设计的柱脚,往往在锚栓截面未削弱部分屈服之前螺纹部位发生断裂,或者因锚固不够造成锚栓拔出的可能件很大,在这种情况下难以看到柱脚有充分的塑性变形。

  

  图3外露式柱脚承受反复荷载时的恢复力

  

  (2) 外包式柱脚

  

  外包式柱脚在钢柱底部相当于柱子截面高度(最大横截面尺寸)2.5—3倍的范围内,用钢筋混凝土包裹(图4)。这种形式的柱脚作为固定柱脚设计、如设计正确,可以确保柱底的固接程度和承载力。这种柱脚的力学行为主要由外包钢筋混凝上的力学行为确定。

  

  图4 外包式柱脚

  

  (3) 埋入式柱脚

  

  埋人式柱脚将钢柱底部相当于截面高度2倍左右的长度埋入基础混凝土中.周围用钢筋混凝于以加强(图5)。从施工方便性方向看,这种形式的柱脚与其他形式的柱脚相比 工序要多,工期上不利的一面。但是,能使钢柱底部容易满足形成塑性铰的要求,结构概念非常明确。因此,只要设计、施工正确,其柱脚部位的恢复力特性,可以显示出稳定的纺锤形关系。设计上主要注意的问题,是确保柱脚深度和确保钢柱埋入部分的周边混凝土厚度。

  

  图 5 埋入式柱脚

  

  (图6)展示柱子埋深分别按1D、2D、3D(D:柱广截面高度)变化时的柱脚恢复力特性,恢复力特性随柱脚埋入深度的变化而变化、但埋入深度达到柱子截面高度2倍的程度、可以认为基本成为纺锤状。为了考虑与周围混凝十的粘结,也有在柱子埋入部分焊上栓钉的设计方法,但是拴钉只有在钢柱的埋入部分和周边混凝土有较大分离时才起作用.而在设计预期荷载的作用范围内,不会产生这样大的分离,所以,可以认为基本没有产生这方面的作用。

  

  图 6 埋入式柱脚柱脚恢复力特性

  

  埋入式柱脚用边的混凝土,受到作用于柱底部的弯矩和剪力作用.产小很入的压力(参见图7),为此必须确保防止冲切破坏的外包层厚度。对中柱而言 这一点一股小会有问题、但对边柱、角柱,则必须根据计算确定外包厚度。如果因为相邻建筑或红线之类的问题,不能保证必要的混凝土厚度时,要利用钢筋进行必要的补强。

  

  二、柱脚设计、施工基本要点

  

  要确保柱脚节点的抗震安全性,必须充分理解柱脚的力学特性,正确地进行设计、施工。本文从力学的角度考虑,对柱脚节点的设计、施工有关的基本内容和方针于以叙述。

  

  对设计而言,首先,在使用极限状态下,必须明确要求柱脚有怎样的性能。其次,承载能力极限状态下.必须预计钢柱和柱脚部分应有怎样的性能。也即是说,在使用极限状态下,作为饺接连接设计的柱脚,不应产生弯矩,而一定能够转动作为固接考虑的柱脚,属于刚性连接,能够负担弯短。另外,一般的外露式柱脚,锚栓、柱脚底板等都产生弹性变形。完全的刚性连接是做不到的。更进一步,在承载能力极限状态下,柱脚部分产生塑件铰的情况旨定很多,为此、要求有较大的塑性转动能力。这种塑性转动能力是靠钢柱柱身产生、还是靠柱脚节点部分产生,必须加以研讨。以确定设计方针。必须根据设计方针的要求,进行柱脚的详图设计。

  

  为此,对于使用极限状态设计,恰当地评价柱脚的转动刚度、将柱脚刚性考虑到结构分析中去求得设计内力、确实把握作用在柱脚的内力。针对轴力、弯短、剪 分力别采取恰当的设计、是基本的要求。对于承载极限状态,采用怎样的构造细节才能确保较大的塑性转动能力.需要加以研究。

  

  以下就各种形式柱脚的设计要点分别叙述。

  

  (1) 外因式柱脚

  

  外露式柱脚要做到完全铰接或完全刚接是相当困难的。可是,若符合以下条件,则柱脚基本上能够假定为铰接进行设计:柱底板具有很大的刚度,能够抑制局部变形选取适当的锚栓长度,使得锚栓全长范围内 分充发展塑性变形以前锚栓的螺纹部分不发生断裂破;锚栓在混凝土甚础中的粘纺部分能做到防止冲剪破坏。但是.这种场合,锚栓的抗啦承裁里,必须保证大于水平力引起的柱脚拉力(不考虑活荷载作用)。及柱子抗拉屈服承载力的1/2这两个值小的较小值。最好能在柱底板下设置抗剪键以保证对于水平力的抵抗。

  

  外露式柱脚作为抗弯柱脚设计时,由锚栓负担弯矩产生的拉力,柱底板和基础混凝土的接触面承担压力。初步设计阶段,—‘般可以假定柱脚底板为刚接构件,将锚栓作受拉钢筋、基础底板的而积作为钢筋混凝土柱的截面,按此计算结果,选择锚栓截面。这种情况下柱脚的塑形承载力。

  

  当柱子截面大到一定 程度,要 选择足够粗的锚栓来保证必要的承裁力往往是困难的.所以要设计比抗弯承载力大与柱子截面抗弯承载力的柱脚是困 难的。如果能使用一定程度的高强度锚栓,这一问题应该能够得到解决。但是,一旦使用高强度锚栓,为防止锚固部分基础混凝土的冲剪破坏可能会造成设计、施工上的问题.而见柱脚底板和下面的基础混凝土间的压力过大的问题也会随之而来。因此,外露式柱脚,多数不是由柱子的承载力而是 由柱脚的承载力决定其设计承载力。这种情况下,柱脚部分的抗弯承载力, 至少希望到达柱子本身抗弯承载力的1/2以上。此外,为确保塑性变形能力,柱脚各部分的设计构造要求,也必须有同上述铰接柱脚一样的保证条件。再者,在这种情况下,需要正确评价柱脚的转动刚度和恢复力特性,并将其反映到框架的设计中。

  

  与外露式柱脚设计有关的各个项目,考虑以上各点后,具体内容举例如下(参照图8,图9)。

  

  图 8 外埋式柱脚

  

  图 9 外埋式柱脚传力原理

  

  a)柱底板

  

  使柱底板在承载力极限状态下也能保持弹性,以此为目的确定板厚、或予以适当的加劲。其结果,设计的底板可以作为刚性构件考虑,对柱脚刚度的评价可以不考虑底板变形的影响。 但是,底板和柱之间的焊接采用完全焊透的焊接连接。底板下面,焊接可以抵抗剪力作 用的剪力。

  

  b).锚栓

  

  b-1.要求在承载力极限状态下,由锚栓产生柱脚部位的塑性变形的情况。

  

  采用SN 400、SN 490等可以保证屈强比以及塑性变形能力的钢材制作锚栓。

  

  锚栓的螺纹部分经过加工后分设在锚栓的两端、保证在栓杆达到全截面屈服前螺纹部分不敢发生拉断。栓杆部分的长度为其直径的25倍以上。栓杆部分施以防锈涂层或包裹。固定栓底板时采用双重螺母以防回转。基础混凝土中埋入的一端,为防止锚栓外拔,而设置锚固件。

  

  b-2.承载力极限状态下,要求由柱子产生柱脚部位的塑性变形的情况

  

  对锚栓材料的强度、屈强比、塑性变形能力等没有限制。但是,锚栓截面积的选择,应使限状态时柱子中的弯矩以及拉力产生的锚栓螺纹部位的应力.低于锚栓栓杆部分的屈服强度。

  

  锚栓两端设置必要长度的螺纹部。锚栓栓杆的长度设定.要考虑能够防止从锚栓固定点开始的基础混凝土冲剪破坏。柱底板固定时采用双重螺母以防回转。基础混凝土中埋如的—端,为防止锚栓外拔、应设置锚固件。

  

  c基础混凝土

  

  基础混凝土上短柱部分受到柱底板压力时,共用部应不被破坏,因此相对于柱底板应有足够的尺寸放大。锚栓外侧应配议附加钢筋。另外,承载极限状态时,防止产生从锚栓固定点开始的混凝土冲剪破坏,要保证必需的深度和宽度。

  

  d.基础湾浆

  

  混凝土基础顶面和柱子底板之间、要确保足够的间隔以充填砂浆。砂浆采用向强度无收缩砂浆、

  

  a) 确保基础混凝土中埋入的锚栓的平面位置和外突长度尺寸

  

  b)锚栓的防锈处理

  

  c)锚栓的粘结

  

  d) 柱底板和混凝土基础的密合(灌浆)

  

  e) 锚栓拧紧和回转防止

  

  如上所述,外露式柱脚设计、施工中需要解决的课题很多,其中任一条有问题都不能达到顶先要求的性能,对此必须予以充分的认识。特别是满足上述要求的锚栓制品市场上不易购得.这是较大的问题。

  

  然而另—方面,已经有外露式柱脚施工法,对上述各点加以考虑,通过结构实验对其力学性能予以理解。确定,适用他国内的标准化设计细节,施行责任施工制,确保施工质量。

  

  (2) 外包式柱脚

  

  外包式柱脚(参见图4),只要对外包部分的钢筋混凝上进行正确的设计,就能满足柱底刚接的设计要求。也即确保相当干柱子截面高度2.5倍的外包高度.将外包混凝上顶部柱子截面作用的剪力当作集中荷载作用在悬臂梁式的外包混凝上。对此进行设计,使钢柱负担的应力传递到外包钢筋混凝土上。这种情况下,柱底的锚栓只要能够负担安装时的内力就可以了。为丁保证钢筋混凝土顶部位置,由钢柱到钢筋混凝土的应力传递,在顶部配置加强钢筋、外包混凝上的四角配置的纵筋在顶部用箍筋加强、并确保必要的保护层厚度〔参照图10)。

  

  图 10 外包式柱脚传力原理

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  (3) 埋入式枝脚

  

  埋人式柱脚(参照图5)要确保相当于柱截面高度2倍以上的埋入深度,埋入部分的钢柱周围适当配置钢筋、通过这些措施,能够使柱脚设计得有足够的强度,使柱下端能够产生塑性变形。也即能够比较容易地设计出让钢柱发挥塑性变形能力的柱脚。但是埋入式柱脚要使埋在基础混凝土中的钢柱通过承压向周边混凝上传递钢柱反力,确保柱子的埋置深度和柱周边混凝土的厚度是设计的要点(参照图7)。如埋置深度不够、埋入部分周边混凝土厚度偏小等,就会造成混凝土的冲剪破坏,使得柱子塑性变形充分发展之前,柱脚部分就可能遭到破坏(参照图11)。

  

  图 11 埋入式柱脚 冲剪破坏

  

  柱子周边混凝土通过与柱身的相互挤压传力,为柱子面板的局部面外变形,在基础混凝土顶部稍偏下一些位置的钢柱内加没加劲隔板(参照图7)。或在柱内填充混凝上是较好的办法。

  

  通过和理地设计埋入式柱脚,可以使得柱子承裁极限状态下形成塑性铰,因此,柱自 必身须具有充分的塑性变形能力。所以如冷弯成型方钢管那样在极限时可能产生脆性破坏的钢材。不希望在这种情况下使用。


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