新建武漢火車站鋼結構柱插入式柱腳節點的計算分析

石城林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

目前鋼結構柱腳的形式通常有三種,即：外露式、插入式和外包式。對于僅傳遞垂直荷載的鉸接柱腳(如門式剛架結構),一般采用外露式柱腳；對于高層鋼結構或者復雜體系的鋼結構,由于柱腳反力較大,一般采用插入式柱腳；而外包式柱腳的傳力性能介于前兩者之間。新建武漢火車站屬于特大型火車站,結構體系復雜,柱腳反力大,故設計中采用插入式柱腳節點。

關于插入式柱腳的插入深度,《鋼結構規范》GB50017—2003第8.4.15條給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,并且在該條的條文說明中指明《鋼管混凝土結構設計與施工規程》CECS28：90給出的插入深度要求過大；而《高層民用建筑鋼結構技術規程》(下簡稱“高鋼規”)JGJ99—98則要求對于大截面H形鋼柱和箱形截面柱的插入深度不得小于柱截面高度的3倍,這往往導致承臺厚度非常大,不經濟。實際工程分析中,應根據柱腳反力及鋼柱的插入深度來計算插入式柱腳的抗壓、抗彎、抗剪等力學性能。

1 原理與公式

1.1 軸力作用下的受力分析

在軸力作用下,一般是通過柱腳底板將軸力傳遞給承臺。計算公式為

σc=N/A0

(1)

式中：N為軸力；A0為底板凈截面。

底板厚度一般由柱腳底板四周的約束條件按公式(2)計算

(2)

式中：α為柱腳底板四周的約束參數(可參考文獻[5]表8-4進行計算),α為柱腳底板單區格的長度,f為鋼材的抗拉強度設計值。

1.2 栓釘數量的確定

栓釘傳力機制在插入式柱腳中作用不明顯,但為了保證柱腳的整體性,仍應設置栓釘,鋼柱一側翼緣上的栓釘數量按公式(3)確定

(3)

1.3 彎矩和剪力作用下的受力分析

目前“高鋼規”中對插入式柱腳的抗彎和抗剪有比較全面的分析,其原理是通過混凝土對鋼柱的承壓傳遞彎矩,通過柱腳底板與混凝土的抗剪傳遞剪力。計算混凝土的受壓和受剪有兩種理論：塑性理論和彈性理論,“高鋼規”中只給出了塑性理論的計算原理和計算公式,本文將分別按這兩種理論進行計算分析。

(1)塑性理論

計算模型如圖1,計算公式如(4)、(5)。

(4)

(5)

式中：h0為柱反彎點到柱腳底板的距離；d為柱腳埋深；b為鋼柱翼緣的寬度(對于圓鋼管柱,假定取0.7倍的柱截面直徑)；fct為承臺混凝土的抗拉強度設計值；dc為鋼柱承壓區合力作用點至混凝土頂面的距離；B為基礎梁(承臺)寬度；a為鋼柱翼緣外表面算起的基礎梁(承臺)長度；V為柱腳剪力。

(2)彈性理論

假設混凝土受壓最大應力為σ,受壓區高度為x,在柱腳彎矩和剪力作用下,其受力形式如圖2。

圖1 塑性理論計算模型

圖2 彈性理論計算模型

分別根據力和彎矩的平衡關系建立方程組

(6)

V1=σb(d-x)2/2x

(7)

由(6)式可以求得混凝土的最大壓應力σ及受壓區高度x,由(7)式可以求得柱腳底板與混凝土之間的剪力V1。

2 算例

以新建武漢站柱腳節點為例,分別按“高鋼規”的塑性理論及本文的彈性理論進行計算對比分析。

算例1：如圖3,某鋼管混凝土柱(直柱)截面為φ1 200×30,柱腳反力V=1 325 kN,M=5 380 kN·m,柱插入承臺的深度d=2.4 m,承臺混凝土等級為C40。

算例2：如圖4,某鋼管混凝土柱(斜柱)截面為φ1 700×30,柱腳反力(局部坐標系下)V=1 542 kN,M=11 668 kN·m,柱插入承臺的深度d=3.4 m,承臺混凝土等級為C40。

圖3 算例1(單位：mm)

圖4 算例2(單位：mm)

計算結果如表1所示。

表1 計算結果

從表1的計算結果來看,該插入式柱腳的承臺混凝土并沒有達到塑性階段,因此相對于該算例的柱腳節點按彈性理論來計算更為合理,彈性理論計算出的混凝土應力也更大,設計更加安全可靠。

3 結束語

關于插入式柱腳,《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ99—98要求對于大截面H形鋼柱和箱形截面柱的插入深度不得小于柱截面高度的3倍。新建武漢火車站鋼結構柱由于受承臺高度限制,其插入深度按2倍柱截面高度取值。設計中按插入式柱腳的實際受力形式,分別按彈性理論和塑性理論進行計算分析,計算表明,其柱腳的抗彎抗剪抗壓均滿足。因此,筆者認為，在實際工程中,當插入式柱腳的插入深度受限制滿足不了3倍柱截面高度時,只要對插入式柱腳進行合理的分析及計算,在滿足抗彎抗剪抗壓的前提下,可以滿足設計要求。另外,《高層民用建筑鋼結構技術規程》中計算柱腳彎矩引起的混凝土壓應力時,采用的是塑性理論,而有些工程實際中,柱腳混凝土處于彈性狀態,這就需要采用彈性理論進行計算,使計算結果更加安全可靠。

[1]GB50010—2002 混凝土結構設計規范[S]

[2]GB50017—2003 鋼結構設計規范[S]

[3]JGJ99—98 高層民用建筑鋼結構技術規程[S]

[4]CECS 28：90 鋼管混凝土結構設計與施工規程[S]

[5]《鋼結構連接節點設計手冊》編委會.鋼結構連接節點設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2005

[6]王楨希,殷志文,陳忠漢.埋入式鋼柱腳抗震性能的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2009(2)

[7]王燕,王澤,溫學志.埋入式柱腳受力分析[J].青島建筑工程學院學報，1993(3)

[8]王燕.高層建筑鋼結構剛性柱腳設計與研究[J].青島建筑工程學院學報，1994(3)

[9]蔡益燕.高層鋼結構柱腳的抗震設計[J].建筑結構，1997(6)

[10]曹萬林,薛索鐸,張毅剛.國家體育場桁架柱柱腳錨同性能試驗研究[J].建筑結構，2007(2)