外露柱腳設(shè)計(jì)新方法曝光!
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隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與工業(yè)水平的提高，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑中應(yīng)用越來越廣泛。鋼材具有較高的強(qiáng)度和良好的變形能力，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)建筑具有優(yōu)良的抗震、耗能性能。鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)根據(jù)建筑的類別、功能、高度等選擇合理鋼結(jié)構(gòu)體系，并對結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，柱腳的設(shè)計(jì)是非常重要的，它是關(guān)系的到整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。柱腳的形式一般分三種:埋入式、外包式和外露式。外露式剛接柱腳適用于 6，7 度抗震設(shè)防地區(qū)且房屋高度不超過 50m 的鋼結(jié)構(gòu)。本文主要針對外露式剛接柱腳進(jìn)行討論。
1 外露式剛接柱腳傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
多年來，外露式剛接柱腳設(shè)計(jì)采用的方法是《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊》的算法，本文稱之為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，此方法按照柱底荷載偏心距的不同區(qū)分為三種情況進(jìn)行計(jì)算，方法如下。
圖 1 底板下的混凝土受壓應(yīng)力分布圖
( 1) 當(dāng)偏心距 e ≤ L /6 時(shí)( 圖 1( a) ) ，底板下的混凝土最大受壓應(yīng)力:
2 外露式剛接柱腳設(shè)計(jì)新方法
近些年來，有的協(xié)會規(guī)程《 高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程
CECS 230:2008 》及行業(yè)規(guī)程《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程: JGJ 99—2015》提出外露式剛接柱腳設(shè)計(jì)的一種新方法: 按照鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)方法計(jì)算柱腳承載力。具體計(jì)算要求如下。
( 1) 鋼柱軸力由底板直接傳至混凝土基礎(chǔ)，按現(xiàn)行國家標(biāo) 準(zhǔn)《混 凝 土 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》( GB 50010—2010)驗(yàn)算柱腳底板下混凝土的局部承壓，承壓面積為底板面積。
( 2) 在軸力和彎矩作用下計(jì)算所需錨栓面積，應(yīng)按下式驗(yàn)算:
M ≤ M1( 1)
式中: M 為柱腳彎矩設(shè)計(jì)值，kN·m; M1為在軸力和彎矩作用下按鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)方法計(jì)算的柱腳受彎承載力，kN·m。
設(shè)截面為底板面積，由受拉邊的錨栓單獨(dú)承受拉力，混凝土基礎(chǔ)單獨(dú)承受壓力，受壓邊的錨栓不參加工作，錨栓和混凝土的強(qiáng)度均取設(shè)計(jì)值。
( 3) 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，在柱與柱腳連接處，柱可能出現(xiàn)塑性鉸的柱腳極限承載力應(yīng)大于鋼柱的全塑性抗彎承載力，應(yīng)按下式計(jì)算:
( 4) 鋼柱底部的剪力可由底板與混凝土之間的摩擦力傳遞，摩擦系數(shù)取 0.4; 當(dāng)剪力大于底板下的摩擦力時(shí)，應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，有抗剪鍵承受全部剪力; 也可由錨栓抵抗全部剪力，具體做法詳見有關(guān)規(guī)程。
此算法按照鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)方法計(jì)算柱腳受彎承載力，基礎(chǔ)受力后仍然保持平截面假定，錨栓按照彈性應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)模型計(jì)算，混凝土受壓按照非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算，此算法是一種考慮混凝土非線性的算法，理論上更合理，與柱腳的實(shí)際受力也更符合。
3 設(shè)計(jì)新方法計(jì)算實(shí)例
考慮到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在外露式剛接柱腳的設(shè)計(jì)中已經(jīng)應(yīng)用多年，大家都比較熟悉，不再贅述。規(guī)程設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)較晚，較新穎，在此給出典型算例，對其設(shè)計(jì)計(jì)算過程詳細(xì)說明。
3. 1 設(shè)計(jì)條件
某 H 型 鋼 框 架 柱 柱 腳，鋼 柱 鋼 材 Q345B，截 面HW300 ×300 × 10 × 15，混凝土強(qiáng)度等級 C30，錨栓鋼材Q345B，內(nèi)力設(shè)計(jì)值 N =1000kN，繞強(qiáng)軸 M =250kN·m。
3. 2 按彈性計(jì)算
初步確定錨栓每側(cè)翼緣設(shè) 3 個(gè)，底板及錨栓具體布置見圖 2。
偏心距
e0= M /N = 250 /1000 = 0. 25m = 250mm
4 結(jié)論
( 1) 外露式剛接柱腳傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法按照錨栓與混凝土均為線彈性材料，假定基礎(chǔ)受力后保持平截面假定的方法計(jì)算，是一種彈性算法。
( 2) 規(guī)程設(shè)計(jì)方法按照錨栓為線彈性材料，混凝土為非線性材料，考慮其塑性，此算法是一種考慮混凝土受壓時(shí)非線性的算法，理論上更合理。
( 3) 通過典型算例在彈性設(shè)計(jì)和地震作用時(shí)極限承載力的設(shè)計(jì)，展示了用新設(shè)計(jì)方法進(jìn)行剛接柱腳計(jì)算的詳細(xì)過程，為類似工程提供參考。
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