鋼結構柱腳抗剪承載力計算分析及設計

甄 軍

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

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鋼結構柱腳抗剪承載力計算分析及設計

甄 軍

(中海油山東化學工程有限責任公司，山東 濟南 250101)

為了確定鋼結構柱腳的抗剪承載力，對國內外鋼結構柱腳抗剪研究情況進行了總結，從摩擦力、錨栓抗剪承載力、抗剪鍵抗剪承載力等方面，歸納了柱腳抗剪承載力的計算分析及設計要求，以供參考。

鋼柱腳，抗剪鍵，承載力，摩擦力

0 引言

近年來，我公司承擔的化工、熱電、石化等工程設計中，鋼框架及輕型門式剛架的應用十分普遍。在這類結構設計中均涉及到柱腳抗剪承載力計算的問題，圖紙審查機構也會要求設計人提供柱腳抗剪承載力的計算書。然而，國內現有的設計規范及計算軟件對柱腳抗剪承載力設計方面表達比較模糊，給結構設計人員帶來很多困惑。

本文基于對目前國內外鋼結構柱腳抗剪承載力的研究情況的總結，提出了柱腳抗剪承載力設計的計算分析及設計要求，下面將結合工程實例，詳細討論這個問題。

1 一般規定

按我國習慣，柱腳錨栓不考慮承受剪力，特別是有靴梁的錨栓更不能承受剪力。但對于沒有靴梁的錨栓，國外有兩種意見，一種認為可以承受剪力，另一種則不考慮(見G.BALLIO,F.M.MAZZOLANI著《鋼結構理論與設計》，冶金部建筑研究總院譯，1985年12月)。另外，在我國亦有資料建議，在抗震設計中可用半經驗半理論的方法適當考慮外露式鋼柱腳(不管有無靴梁)受壓側錨栓的抗剪作用。

柱腳示意圖見圖1。

2 鋼柱腳抗剪承載力性能分析

本文將鋼柱腳抗剪性能的分析分三個方面來展開，分別是：

1)摩擦力；

2)錨栓抗剪承載力；

3)抗剪鍵承載力。

2.1 摩擦力

柱腳底板和基礎間的摩擦力的計算公式：

F=μN

(1)

其中，μ為摩擦系數；N為軸力。

由式(1)可以看出，在摩擦系數確定的情況下，摩擦力的大小只取決于軸力的大小。我國目前現行規范一般規定摩擦系數可取0.4，代入軸力即可求得摩擦力。

2.2 錨栓抗剪承載力

目前，我國現行的規范一般忽略柱腳錨栓的抗剪承載力[1，2]，水平剪力全部由柱底摩擦力及抗剪鍵承受。而實際上,柱腳錨栓是有一定的抗剪能力的,在滿足結構安全可靠的前提下,若充分利用其抗剪性能,可在實際設計中減少甚至避免設置抗剪鍵,從而方便施工,節約鋼材,取得一定的經濟效益。

國內外有關柱腳錨栓抗剪的理論分析及實驗比較多，文獻[3][4]通過實驗和理論推導出的如下計算公式比較有意義，計算公式如下：

(2)

鉸接柱腳：

(3)

剛接柱腳，取n2=0：

(4)

式中：N——柱腳軸力；

Ae——單根柱腳錨栓有效截面面積；

σ1——受拉側單根錨栓的正應力；

σ2——靠近受壓一側單根錨栓的正應力；

τ——受拉側單根錨栓的剪切應力；

n1——受拉側錨栓的數目；

n2——靠近受壓一側錨栓的數目；

n3——參與受剪錨栓數目(建議取受拉側及受壓側錨栓各1/2)，且n3≥2；

β——錨栓受力不均勻系數，按文獻[5]取值；

fy——單根錨栓的屈服強度；

μ——柱腳底板與混凝土基礎的摩擦系數，按文獻[6]取值。

σ1和σ2按式(3)，式(4)計算，式(3)，式(4)中各符號含義如圖2所示。

在確定混凝土基礎反力R的作用點位置時，參考文獻[4]的取值方法。

2.3 抗剪鍵抗剪承載力

國內外的規范對于抗剪鍵的設置均有明確要求，然而對于規范的這一要求，若需設置抗剪鍵，其承載力如何驗算。對于設置抗剪鍵后具有多少抗剪承載能力的問題，現行鋼結構設計規范和歐洲規范都沒有給出具體的設計計算公式，對這方面的研究工作也很少，實際設計中常常憑工程經驗來確定。

韓寶儀、李維平等[3]對該類型柱腳分兩種構造形式進行試驗研究，一種用于研究錨栓的抗剪性能，另一種用于研究抗剪鍵的抗剪性能。通過試驗研究和理論分析，得出柱腳抗剪P—δ滯回曲線，提出露出型低位錨栓鋼柱腳在不同構造時整體抗剪承載力計算公式。

(5)

(6)

對于抗剪鍵與底板的連接計算，抗剪鍵與底板可采用對接焊縫或角焊縫連接，對接焊縫采用單面坡口或雙面坡口，根據材料的等強原則，一般不需要計算。角焊縫需滿足抗剪要求，可由式(7)進行計算：

(7)

式(7)中各參數的意義見GB 50017—2003鋼結構設計規范。值得指出的是，水平剪力往往是兩個方向的，對于非一字形的抗剪鍵，忽略正面角焊縫的貢獻，讓側面角焊縫承擔該方向的全部剪力，既簡化計算又保留了安全度。

3 工程實例

某LNG接收站工程中BOG壓縮廠房，采用門式剛架結構形式，基礎混凝土采用C40，柱腳采用剛接柱腳，地腳錨栓直徑52 mm，柱腳底部抗剪鍵采用普槽鋼16a，與柱腳底板采用6 mm角焊縫圍焊，門式剛架及錨栓采用Q345B，抗剪鍵采用Q235B，焊條E43，門式剛架詳見圖3。

計算結果為：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)得到錨栓抗剪承載力(含摩擦力)，見表1。

表1 錨栓抗剪承載力

由式(5)，式(6)得到抗剪鍵抗剪承載力，見表2。

表2 抗剪鍵抗剪承載力

由此可得出柱腳抗剪承載力如下：

1)按照規范要求僅考慮摩擦力及抗剪鍵承載力：

V=F+V2=45.73+99.87=145.6 kN>Vmax。

2)考慮摩擦力、錨栓及抗剪鍵承載力：

V=V1+V2=352.09+99.87=451.96 kN>Vmax。

由式(7)簡化驗算抗剪鍵焊縫：

4 結語

通過以上分析可以得到如下結論：

1)按照規范要求，摩擦力計算僅考慮軸力影響因素，使柱腳抗剪承載力保留了一定的安全度。

2)除摩擦力外,柱腳由于其構造上的特點仍能夠提供可觀的抗剪力，對于這部分抗剪能力，可以適當考慮。

3)抗剪鍵本身的抗剪承載力非常可觀，抗剪鍵自身的破壞情況較少，但要使抗剪鍵完全發揮作用，需要考慮抗剪鍵與錨栓共同工作的合理破壞模式，這一方面仍需要進一步研究。

4)柱腳的構造要求必須保證，在計算理論及實驗數據較少的情況下，構造的滿足就顯得尤為重要。

[1] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[2] CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012年版)[S].

[3] 韓寶儀，李維平，田成鋼，等.露出型鋼柱腳抗剪承載力的試驗研究[J].鋼結構，2014，29(1)：8-12.

[4] 李維平，嚴新兵，于幼云.露出型鋼柱腳抗剪性能的理論與試驗研究[J].鋼結構，2007，22(1)：45-48．

[5] 于安麟，永毓棟，郭在田，等．露出型鋼柱腳抗剪性能研究(Ⅱ)[J]．工業建筑，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 軍(1983- )，男，碩士，工程師

TU312

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