钢结构柱脚的抗剪机理及其设计

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1、石油化工设计PetrochemicalDesign钢结构柱脚的抗剪机理及其设计王群(中国石化工程建设公司，北京100101)摘要：作为上部钢结构与混凝土基础间的重要连接，钢柱柱脚担负着将作用于上部结构的各种作用效应传递到基础的作用，如何可靠地将水平剪力传递到基础是其中重要的一个方面。文章结合AISC相关的设计导则拟就钢结构柱脚的几种抗剪机制作一粗浅论述，并着重讨论锚栓抗剪的问题以及剪力键的设计方法。关键词：抗剪机制柱脚剪力键锚栓1柱脚水平反力的传递方法和机理0．55。图2为某涉外项目钢结构仓库的钢柱柱(1)利用柱脚底板与基础}昆凝土问

2、的摩擦力。脚，从中可以清楚的看出柱脚底板位于灌浆层内。这种方法简单直观，易于理解，其前提条件是柱脚压力必须足够大以便能够提供足够的摩擦力来传递柱脚水平反力至基础。但在某些情况下柱脚出现拉力的时候，例如柱问支撑位置处的柱脚，由于通常会同时存在比较大的拉力和水平力，单纯依靠这种方法是不可行的。需要注意的是，与我国《钢结构设计规范》(GB50017—2003)仅仅考虑柱脚板与硬化后的混图2柱脚底板照片无论摩擦系数如何取值，问题的关键都是不凝土顶面间的摩擦从而在8．4．13条中将摩擦系能过高地估算柱脚的垂直反力。国外有文献建数统一取为0．4的

3、做法不同¨，AISC依据柱脚底议，为安全起见，在计算垂直反力时，永久荷载所板与混凝土和灌浆层相对位置的不同而取用不同贡献的部分要折减25％。的摩擦系数¨2J：①当柱脚底板埋置于混凝土内，顶(2)设置剪力键。当柱脚垂直反力引起的摩面与混凝土平齐[如图1(a)所示]时取为0．9；②擦力不足以抵抗柱脚底板水平反力的时候，常用柱脚底板底面与混凝土顶面平齐[如图1(b)所的办法是在柱脚底板底面焊接剪力键，剪力键可示]时取0．7；但①②两种作法都要求待钢柱就位以采用钢板或者型钢。这时剪力键承担的是扣除后再浇筑混凝土，施工时实现起来有一定难度；③摩

4、擦力以后的柱脚水平反力部分，但由于剪力键当柱脚底板位于灌浆层内[如图1(c)所示]时取的刚度很大，并且为计算方便起见，一般都假定柱脚水平反力全部由剪力键传递。这种方法需要在基础中设置预留坑或孔，大型柱脚底板还要开设4收稿日期：2010—01—29。作者简介：王群，男，1996年毕业于北京工业大学工民(a)(b)(C)建专业，获工学学士学位，高级工程师，现从事石油化图1柱脚底板与基础的关系工结构的设计工作，已发表论文1篇。联系电话：010．1一钢柱；2一柱脚底板；3～混凝土基础；4～二次灌浆层84877972：E-mail：wangqu

5、n．sei@sinopec．com第28卷王群．钢结构柱脚的抗剪机理及其设计·15·灌浆孔，施工相对困难，二次灌浆不容易密实。间是平均分配的，但这可能与实际受力情况相去(3)利用地脚螺栓的承压、抗剪。利用锚栓传甚远。例如对三角形塔架而言，在受到如图3所递水平反力。通常经由两个途径：①锚栓与柱脚示风荷载作用时，塔柱受压而B和c塔柱会受底板问的摩擦力，其大小取决于锚栓与柱脚底板拉。这时候塔柱所受的垂直力会非常大，大到间夹紧力大小；②锚栓承压、受剪，这时锚栓处于可提供的摩擦力足以抵消掉该塔柱的水平反力，类似于高强螺栓承压型连接中螺栓的受力状

6、态。故该设计假定的合理性值得商榷。在拧紧螺母的时候锚栓可能会获得一定的预C拉力(即使锚栓没有被拧紧，由于锚栓在柱脚水平风荷载作用方向反力作用下向外剪切外围混凝土的时候，此部分混凝土趋于上翘从而顶紧底板，相当于提供了预拉力)，但在实际工程中，这种夹紧力在大多数情况下不是一直存在的_2J。并且由于锚栓不同于高图3三角形塔架受力不意强螺栓，定量的确定和保持住这两种可能的预拉AISC认为通过锚栓传递剪力不可控的可变因力也是有难度的J。素较多，对诸如柱脚的滑移量(这是锚栓承压的先另外为了方便施工，柱脚底板上的螺栓孔径决条件)、进入承压或受剪状态

7、的锚栓数量、栓杆一般都比较大(锚栓直径加4mm)。这导致了在承压部位的位置以及与此对应的混凝土内反力的柱脚水平反力作用下，当柱脚发生滑移时，所有锚作用点位置等参数均难以作出合理的设计假定，栓是不可能同时达到承压、受剪状态的。为解决所以AISC建议锚栓不宜抗剪j，这与我国钢结构这一问题，可以采用一块开孔较小的垫板，并和柱设计规范8．4．13条指出锚栓不宜承受柱脚底部脚板焊牢。这样就有效地降低了锚栓不均匀承压的水平反力的原则是一致的。的可能性，而锚栓受剪的抗剪承载力就只与锚栓(4)采用埋入式柱脚。此方法分为外包式和边距有关系了。但无论哪种

8、传力途径，通过锚栓插入式柱脚，通常需要在钢柱上焊剪力钉，构件加传递剪力时锚拴的受力形态都类似于一悬臂受弯工和混凝土施工都相对麻烦。当采用插入式柱脚构件(力臂大于灌浆层厚度)。由于锚栓的截面尺时，由于柱脚没有被抬离地面更易