鋼柱腳抗剪承載力的有限元分析

劉 陽

（武昌工學院城市建設學院，湖北武漢430061）

0 引言

鋼柱腳的抗剪承載力通常為兩個部分，一部分為柱腳和基礎間的摩擦力，另一部分為錨栓和混凝土組成系統的抗剪能力。一般鋼柱腳的抗剪承載力計算可以簡單將上述兩部分力進行疊加。本文借助通用有限元軟件ANSYS的模擬分析計算和后處理功能，能較準確地對鋼柱腳的力學性能進行分析，進一步對其抗剪承載力進行計算。

1 有限元模型的建立

1.1 材料參數及單元選取

對于柱身及錨栓鋼材，均可視其為線性強化彈塑性材料，采用雙線性隨動強化（BKIN）準則對其本構關系進行模擬。柱身及錨栓鋼材取Q235，其屈服強度及切線模量分別取235 MPa和790 MPa，彈性模量和泊松比分別為2.06×105MPa和0.3。基礎采用C40混凝土，彈性模量取3.35×104MPa。

對鋼柱腳采用8節點三維實體單元Solid45模擬，而柱下基礎則使用針對混凝土的單元Solid65模擬，由于分析中對基礎中鋼筋內力不作要求，采用整體式模型來建立基礎中鋼筋和混凝土組合。接觸對采用目標單元TARGET170和面-面接觸單元CONTACT174，在鋼柱腳底板和混凝土基礎表面、螺母與底板間、螺栓與底板間均設置了接觸對。接觸面表面摩擦系數，參考美國AIC 349-85中的規定取0.4。根據工程實際，分別建立柱身為H型鋼和方鋼管的柱腳ZJ-1和ZJ-2，錨栓分別布置在柱身內側和外側，模型幾何尺寸如表1所示。

表1 模型幾何尺寸

1.2 約束和加載

柱腳的約束條件參考實際工程和相關試驗，即：約束柱頂對稱中線的X/Y向平動自由度及X/Z向轉動自由度；約束基礎底面的X/Y/Z向平動及轉動自由度。

考慮工程實際施工過程，計算加載順序為先施加預緊力，預緊力的值參考相關文獻中平均值，再施加豎向及水平荷載。先分別在柱頂施加不同的軸壓荷載：N1=0 N，N2=80 kN，N3=120 kN，防止柱頂出現的局部變形過大，在柱頂增加頂板，豎向和水平加載均加于頂板，此后在柱頂水平施加低周反復荷載，然后在按柱頂施加位移荷載。屈服準則采用Von-Mises屈服準則。采用力、位移雙收斂準則，應用Newton-Raphson平衡迭代法進行非線性求解，求解器選用預置條件共扼梯度求解器（PCG），打開自動時間步長控制及線性搜索。

2 有限元計算結果分析

2.1 柱腳及各部分計算結果

（1）無論有無軸壓，柱腳發生破壞的主要形式基本相同，錨栓屈服，柱腳底板與基礎混凝土局部出現脫離。隨軸壓力的增加，柱腳底板豎向位移增加（當N2=80 kN時，ZJ-2底板最大豎向位移為5.87 mm），底板和混凝土脫離造成的破壞先于錨栓應力過大的破壞。由于錨栓位置不同，底板發生破壞部位不同。ZJ-1、ZJ-2整體應力云圖如圖1、圖2所示。

圖1 N2=80 kN，ZJ-1整體應力云圖

圖2 N2=80 kN，ZJ-2整體應力云圖

（2）柱底板錨栓孔處由于應力集中和螺栓的擠壓作用，出現較大應力值。當軸壓增加時，ZJ-1（N2=80 kN）底板會先于柱身整體或錨栓發生屈服，從而造成柱腳破壞。ZJ-1、ZJ-2底板應力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 ZJ-1底板應力云圖

圖4 ZJ-2底板應力云圖

柱腳錨栓的等效應力云圖如圖5、圖6所示，根據程序中自帶結果顯示的文件，可以查出錨栓最大等效應力出現在錨栓和底板銜接處，同時可以通過時間歷程處理器POST26得出錨栓最大應力值及隨加載步變化的曲線。根據等效應力云圖可知，在相同的荷載作用下，錨栓應力隨錨栓布置不同而變化。當軸壓較小時，錨栓先發生屈服破壞，軸壓值增大時，錨栓破壞滯后于底板變形過大破壞和錨栓孔擠壓破壞。

圖5 ZJ-1錨栓等效應力云圖

圖6 ZJ-2錨栓等效應力云圖

2.2 計算結果分析

（1）柱腳錨栓破壞是柱腳破壞的原因之一，不同形式柱腳，在不同軸壓下，錨栓處均出現較大應力。隨軸壓力增加，底板摩擦力增加，柱腳在水平方向能承受的荷載也增加，但錨栓應力值隨載荷增大，會先于柱腳其他部分發生屈服破壞。

（2）柱腳錨栓的最大應力值隨錨栓布置位置的不同（布置于柱身內部或柱身四周）而不同，故對于錨栓抗剪能力應根據錨栓位置進行計算。

（3）柱腳底板錨栓孔是在剪力彎矩作用下易發生破壞的另一個部位，增加軸壓會增加底板和基礎間的摩擦，增加柱腳抗剪能力，但錨栓孔的應力會隨之增加，隨軸壓增加，會因柱腳剪力破壞而發生錨栓孔的擠壓破壞。

（4）柱身在低周反復作用下不會發生破壞，但柱腳和底板連接處隨著荷載增加會出現較大應力值，尤其是H型鋼的翼緣和底板連接處，在較大荷載和位移下，可能會先于其他部分的破壞而造成柱腳破壞。

3 結語

（1）錨栓的屈服、底板錨栓孔破壞是柱腳破壞的主要原因，隨軸壓值不同，二者可能先后發生，也可能同時發生。底板和錨栓的力學性能是保證柱腳不受破壞的重要因素。

（2）隨軸壓增加，柱腳底板摩擦力增加，但錨栓屈服破壞和由此產生的底板變形過大的破壞，會令柱腳底部破壞。