新建武汉火车站钢结构柱插入式柱脚节点的计算分析

石城林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

目前钢结构柱脚的形式通常有三种,即：外露式、插入式和外包式。对于仅传递垂直荷载的铰接柱脚(如门式刚架结构),一般采用外露式柱脚；对于高层钢结构或者复杂体系的钢结构,由于柱脚反力较大,一般采用插入式柱脚；而外包式柱脚的传力性能介于前两者之间。新建武汉火车站属于特大型火车站,结构体系复杂,柱脚反力大,故设计中采用插入式柱脚节点。

关于插入式柱脚的插入深度,《钢结构规范》GB50017—2003第8.4.15条给出了最小插入深度的要求,即插入深度不小于1.5倍柱截面高度,并且在该条的条文说明中指明《钢管混凝土结构设计与施工规程》CECS28：90给出的插入深度要求过大；而《高层民用建筑钢结构技术规程》(下简称“高钢规”)JGJ99—98则要求对于大截面H形钢柱和箱形截面柱的插入深度不得小于柱截面高度的3倍,这往往导致承台厚度非常大,不经济。实际工程分析中,应根据柱脚反力及钢柱的插入深度来计算插入式柱脚的抗压、抗弯、抗剪等力学性能。

1 原理与公式

1.1 轴力作用下的受力分析

在轴力作用下,一般是通过柱脚底板将轴力传递给承台。计算公式为

σc=N/A0

(1)

式中：N为轴力；A0为底板净截面。

底板厚度一般由柱脚底板四周的约束条件按公式(2)计算

(2)

式中：α为柱脚底板四周的约束参数(可参考文献[5]表8-4进行计算),α为柱脚底板单区格的长度,f为钢材的抗拉强度设计值。

1.2 栓钉数量的确定

栓钉传力机制在插入式柱脚中作用不明显,但为了保证柱脚的整体性,仍应设置栓钉,钢柱一侧翼缘上的栓钉数量按公式(3)确定

(3)

1.3 弯矩和剪力作用下的受力分析

目前“高钢规”中对插入式柱脚的抗弯和抗剪有比较全面的分析,其原理是通过混凝土对钢柱的承压传递弯矩,通过柱脚底板与混凝土的抗剪传递剪力。计算混凝土的受压和受剪有两种理论：塑性理论和弹性理论,“高钢规”中只给出了塑性理论的计算原理和计算公式,本文将分别按这两种理论进行计算分析。

(1)塑性理论

计算模型如图1,计算公式如(4)、(5)。

(4)

(5)

式中：h0为柱反弯点到柱脚底板的距离；d为柱脚埋深；b为钢柱翼缘的宽度(对于圆钢管柱,假定取0.7倍的柱截面直径)；fct为承台混凝土的抗拉强度设计值；dc为钢柱承压区合力作用点至混凝土顶面的距离；B为基础梁(承台)宽度；a为钢柱翼缘外表面算起的基础梁(承台)长度；V为柱脚剪力。

(2)弹性理论

假设混凝土受压最大应力为σ,受压区高度为x,在柱脚弯矩和剪力作用下,其受力形式如图2。

图1 塑性理论计算模型

图2 弹性理论计算模型

分别根据力和弯矩的平衡关系建立方程组

(6)

V1=σb(d-x)2/2x

(7)

由(6)式可以求得混凝土的最大压应力σ及受压区高度x,由(7)式可以求得柱脚底板与混凝土之间的剪力V1。

2 算例

以新建武汉站柱脚节点为例,分别按“高钢规”的塑性理论及本文的弹性理论进行计算对比分析。

算例1：如图3,某钢管混凝土柱(直柱)截面为φ1 200×30,柱脚反力V=1 325 kN,M=5 380 kN·m,柱插入承台的深度d=2.4 m,承台混凝土等级为C40。

算例2：如图4,某钢管混凝土柱(斜柱)截面为φ1 700×30,柱脚反力(局部坐标系下)V=1 542 kN,M=11 668 kN·m,柱插入承台的深度d=3.4 m,承台混凝土等级为C40。

图3 算例1(单位：mm)

图4 算例2(单位：mm)

计算结果如表1所示。

表1 计算结果

从表1的计算结果来看,该插入式柱脚的承台混凝土并没有达到塑性阶段,因此相对于该算例的柱脚节点按弹性理论来计算更为合理,弹性理论计算出的混凝土应力也更大,设计更加安全可靠。

3 结束语

关于插入式柱脚,《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99—98要求对于大截面H形钢柱和箱形截面柱的插入深度不得小于柱截面高度的3倍。新建武汉火车站钢结构柱由于受承台高度限制,其插入深度按2倍柱截面高度取值。设计中按插入式柱脚的实际受力形式,分别按弹性理论和塑性理论进行计算分析,计算表明,其柱脚的抗弯抗剪抗压均满足。因此,笔者认为，在实际工程中,当插入式柱脚的插入深度受限制满足不了3倍柱截面高度时,只要对插入式柱脚进行合理的分析及计算,在满足抗弯抗剪抗压的前提下,可以满足设计要求。另外,《高层民用建筑钢结构技术规程》中计算柱脚弯矩引起的混凝土压应力时,采用的是塑性理论,而有些工程实际中,柱脚混凝土处于弹性状态,这就需要采用弹性理论进行计算,使计算结果更加安全可靠。

[1]GB50010—2002 混凝土结构设计规范[S]

[2]GB50017—2003 钢结构设计规范[S]

[3]JGJ99—98 高层民用建筑钢结构技术规程[S]

[4]CECS 28：90 钢管混凝土结构设计与施工规程[S]

[5]《钢结构连接节点设计手册》编委会.钢结构连接节点设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2005

[6]王桢希,殷志文,陈忠汉.埋入式钢柱脚抗震性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2009(2)

[7]王燕,王泽,温学志.埋入式柱脚受力分析[J].青岛建筑工程学院学报，1993(3)

[8]王燕.高层建筑钢结构刚性柱脚设计与研究[J].青岛建筑工程学院学报，1994(3)

[9]蔡益燕.高层钢结构柱脚的抗震设计[J].建筑结构，1997(6)

[10]曹万林,薛索铎,张毅刚.国家体育场桁架柱柱脚锚同性能试验研究[J].建筑结构，2007(2)