钢结构柱脚抗剪承载力计算分析及设计

甄 军

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250101)



钢结构柱脚抗剪承载力计算分析及设计

甄 军

(中海油山东化学工程有限责任公司，山东 济南 250101)

为了确定钢结构柱脚的抗剪承载力，对国内外钢结构柱脚抗剪研究情况进行了总结，从摩擦力、锚栓抗剪承载力、抗剪键抗剪承载力等方面，归纳了柱脚抗剪承载力的计算分析及设计要求，以供参考。

钢柱脚，抗剪键，承载力，摩擦力

0 引言

近年来，我公司承担的化工、热电、石化等工程设计中，钢框架及轻型门式刚架的应用十分普遍。在这类结构设计中均涉及到柱脚抗剪承载力计算的问题，图纸审查机构也会要求设计人提供柱脚抗剪承载力的计算书。然而，国内现有的设计规范及计算软件对柱脚抗剪承载力设计方面表达比较模糊，给结构设计人员带来很多困惑。

本文基于对目前国内外钢结构柱脚抗剪承载力的研究情况的总结，提出了柱脚抗剪承载力设计的计算分析及设计要求，下面将结合工程实例，详细讨论这个问题。

1 一般规定

按我国习惯，柱脚锚栓不考虑承受剪力，特别是有靴梁的锚栓更不能承受剪力。但对于没有靴梁的锚栓，国外有两种意见，一种认为可以承受剪力，另一种则不考虑(见G.BALLIO,F.M.MAZZOLANI著《钢结构理论与设计》，冶金部建筑研究总院译，1985年12月)。另外，在我国亦有资料建议，在抗震设计中可用半经验半理论的方法适当考虑外露式钢柱脚(不管有无靴梁)受压侧锚栓的抗剪作用。

柱脚示意图见图1。

2 钢柱脚抗剪承载力性能分析

本文将钢柱脚抗剪性能的分析分三个方面来展开，分别是：

1)摩擦力；

2)锚栓抗剪承载力；

3)抗剪键承载力。

2.1 摩擦力

柱脚底板和基础间的摩擦力的计算公式：

F=μN

(1)

其中，μ为摩擦系数；N为轴力。

由式(1)可以看出，在摩擦系数确定的情况下，摩擦力的大小只取决于轴力的大小。我国目前现行规范一般规定摩擦系数可取0.4，代入轴力即可求得摩擦力。

2.2 锚栓抗剪承载力

目前，我国现行的规范一般忽略柱脚锚栓的抗剪承载力[1，2]，水平剪力全部由柱底摩擦力及抗剪键承受。而实际上,柱脚锚栓是有一定的抗剪能力的,在满足结构安全可靠的前提下,若充分利用其抗剪性能,可在实际设计中减少甚至避免设置抗剪键,从而方便施工,节约钢材,取得一定的经济效益。

国内外有关柱脚锚栓抗剪的理论分析及实验比较多，文献[3][4]通过实验和理论推导出的如下计算公式比较有意义，计算公式如下：

(2)

铰接柱脚：

(3)

刚接柱脚，取n2=0：

(4)

式中：N——柱脚轴力；

Ae——单根柱脚锚栓有效截面面积；

σ1——受拉侧单根锚栓的正应力；

σ2——靠近受压一侧单根锚栓的正应力；

τ——受拉侧单根锚栓的剪切应力；

n1——受拉侧锚栓的数目；

n2——靠近受压一侧锚栓的数目；

n3——参与受剪锚栓数目(建议取受拉侧及受压侧锚栓各1/2)，且n3≥2；

β——锚栓受力不均匀系数，按文献[5]取值；

fy——单根锚栓的屈服强度；

μ——柱脚底板与混凝土基础的摩擦系数，按文献[6]取值。

σ1和σ2按式(3)，式(4)计算，式(3)，式(4)中各符号含义如图2所示。

在确定混凝土基础反力R的作用点位置时，参考文献[4]的取值方法。

2.3 抗剪键抗剪承载力

国内外的规范对于抗剪键的设置均有明确要求，然而对于规范的这一要求，若需设置抗剪键，其承载力如何验算。对于设置抗剪键后具有多少抗剪承载能力的问题，现行钢结构设计规范和欧洲规范都没有给出具体的设计计算公式，对这方面的研究工作也很少，实际设计中常常凭工程经验来确定。

韩宝仪、李维平等[3]对该类型柱脚分两种构造形式进行试验研究，一种用于研究锚栓的抗剪性能，另一种用于研究抗剪键的抗剪性能。通过试验研究和理论分析，得出柱脚抗剪P—δ滞回曲线，提出露出型低位锚栓钢柱脚在不同构造时整体抗剪承载力计算公式。

(5)

(6)

对于抗剪键与底板的连接计算，抗剪键与底板可采用对接焊缝或角焊缝连接，对接焊缝采用单面坡口或双面坡口，根据材料的等强原则，一般不需要计算。角焊缝需满足抗剪要求，可由式(7)进行计算：

(7)

式(7)中各参数的意义见GB 50017—2003钢结构设计规范。值得指出的是，水平剪力往往是两个方向的，对于非一字形的抗剪键，忽略正面角焊缝的贡献，让侧面角焊缝承担该方向的全部剪力，既简化计算又保留了安全度。

3 工程实例

某LNG接收站工程中BOG压缩厂房，采用门式刚架结构形式，基础混凝土采用C40，柱脚采用刚接柱脚，地脚锚栓直径52 mm，柱脚底部抗剪键采用普槽钢16a，与柱脚底板采用6 mm角焊缝围焊，门式刚架及锚栓采用Q345B，抗剪键采用Q235B，焊条E43，门式刚架详见图3。

计算结果为：Vmax=-134.30 kN，N=114.32 kN，M=-698.85 kN·m。

由式(1)得到摩擦力：

F=μN=0.4×114.32=45.73 kN

由式(2)，式(4)得到锚栓抗剪承载力(含摩擦力)，见表1。

表1 锚栓抗剪承载力

由式(5)，式(6)得到抗剪键抗剪承载力，见表2。

表2 抗剪键抗剪承载力

由此可得出柱脚抗剪承载力如下：

1)按照规范要求仅考虑摩擦力及抗剪键承载力：

V=F+V2=45.73+99.87=145.6 kN>Vmax。

2)考虑摩擦力、锚栓及抗剪键承载力：

V=V1+V2=352.09+99.87=451.96 kN>Vmax。

由式(7)简化验算抗剪键焊缝：

4 结语

通过以上分析可以得到如下结论：

1)按照规范要求，摩擦力计算仅考虑轴力影响因素，使柱脚抗剪承载力保留了一定的安全度。

2)除摩擦力外,柱脚由于其构造上的特点仍能够提供可观的抗剪力，对于这部分抗剪能力，可以适当考虑。

3)抗剪键本身的抗剪承载力非常可观，抗剪键自身的破坏情况较少，但要使抗剪键完全发挥作用，需要考虑抗剪键与锚栓共同工作的合理破坏模式，这一方面仍需要进一步研究。

4)柱脚的构造要求必须保证，在计算理论及实验数据较少的情况下，构造的满足就显得尤为重要。

[1] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2] CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)[S].

[3] 韩宝仪，李维平，田成钢，等.露出型钢柱脚抗剪承载力的试验研究[J].钢结构，2014，29(1)：8-12.

[4] 李维平，严新兵，于幼云.露出型钢柱脚抗剪性能的理论与试验研究[J].钢结构，2007，22(1)：45-48．

[5] 于安麟，永毓栋，郭在田，等．露出型钢柱脚抗剪性能研究(Ⅱ)[J]．工业建筑，1992，22(6)：29-33.

[6] ACI 349-85， Code Requirements for Nuclear Safety Related Structures[S].

Calculation and design of shear capacity in steel column base

Zhen Jun

(CNOOCShandongChemicalEngineeringCo.,Ltd,Jinan250101,China)

In order to determining the shear bearing capacity of steel-column footing, the paper summarizes steel-column footing shear research conditions at home and abroad, concludes shear bearing capacity computation analysis and design demands of steel-column footing from aspects of friction force, anchor bolt shear bearing capacity and shear connector bearing capacity, with a view to provide some guidance.

steel-column footing, shear connector, bearing capacity, friction force

1009-6825(2016)16-0034-03

2016-03-15

甄 军(1983- )，男，硕士，工程师

TU312

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