鋼柱腳H型鋼抗剪鍵設(shè)計方法

盧家森

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院, 上海 200125)

?

鋼柱腳H型鋼抗剪鍵設(shè)計方法

盧家森*

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院, 上海 200125)

摘要抗剪鍵是鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計中經(jīng)常被采用的抵抗水平剪力的重要構(gòu)件,它的可靠性直接影響到整個結(jié)構(gòu)的安全性,所以在設(shè)計中至關(guān)重要。雖然現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定可以設(shè)置抗剪鍵抵抗柱腳底部的水平反力,但并沒有明確規(guī)定抗剪鍵的設(shè)計方法,特別是被廣泛采用的H型鋼抗剪件。提出了H型鋼抗剪鍵的分析模型,推導(dǎo)了相關(guān)的設(shè)計公式,并通過理論分析和試驗的對比,驗證了本文提出設(shè)計方法的可靠性。

關(guān)鍵詞鋼柱腳, 抗剪鍵, H型鋼, 設(shè)計方法

Design Method for an H Type Steel Shear Key for the Steel Column Base

LU Jiasen*

(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute, Shanghai 200125, China)

AbstractShear keys as important components at the steel column base are used to resist to the horizontal shear forces. The reliability of these shear keys have a direct influence on the safety of the entire structure. Although the current code for the steel structure design allows using the shear key to resist to the horizontal forces, it does not give specific methods for shear key design, especially for the widely used H type steel shear key. This paper presents an analytical model for the shear key with H type steel. The derivation of relevant mathematical formula was described. The reliability of the proposed method was validated by physical tests.

Keywordssteel column base, shear key, H type steel, design method

1引言

抗剪鍵錨栓組合鋼柱腳一般用于承受較大剪力的壓剪鉸接連接,當(dāng)柱腳摩擦力小于設(shè)計剪力時,需要設(shè)置抗剪鍵抵抗水平剪力,錨栓通常是構(gòu)造要求。

為了方便鋼結(jié)構(gòu)施工,工程實踐中有時會在柱腳底板和抗剪鍵之間增設(shè)一塊過渡板,過渡板和抗剪鍵事先焊接在一起,在鋼柱就位前,把帶過渡板的抗剪鍵調(diào)平就位后灌漿,待灌漿料養(yǎng)護(hù)到設(shè)計強(qiáng)度,鋼柱就位,并把柱腳底板和過渡板圍焊連接為一體,圖1所示為一典型H型鋼抗剪鍵錨栓組合柱腳示意圖。

柱腳底板厚度可根據(jù)底板最大彎矩確定[1],為保證可靠傳遞,通常柱腳底板和過渡板厚度不宜小于20 mm,柱腳底板和過渡板之間的連接焊縫應(yīng)滿足規(guī)范計算要求[2]。H型鋼抗剪鍵板件厚度應(yīng)滿足規(guī)范第5.4節(jié)[2]受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定要求。

關(guān)于這種類型柱腳的設(shè)計方法,國內(nèi)外鮮有研究。目前現(xiàn)行中國規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)[2]雖然規(guī)定可以設(shè)置抗剪鍵抵抗柱腳底部的水平反力,但并沒有明確說明抗剪鍵的設(shè)計方法,特別是被廣泛采用的H型鋼抗剪鍵的設(shè)計方法,國外雖然對埋入混凝土鋼梁牛腿有所研究,但這主要用于鋼連梁和混凝土剪力墻連接節(jié)點設(shè)計[3-5],所采用的混凝土受壓的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線并不符合中國規(guī)范,而且專門針對柱腳抗剪鍵的設(shè)計研究鮮有報道。規(guī)范滯后給設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn),設(shè)計可靠的柱腳抗剪節(jié)點成為設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。

本文針對H型鋼抗剪鍵的設(shè)計展開了深入研究,提出了實用的符合中國規(guī)范的H型鋼抗剪鍵的分析模型,推導(dǎo)了相關(guān)的設(shè)計公式,并通過理論分析和試驗的對比,驗證了本文提出設(shè)計方法的可靠性,該設(shè)計方法可為類似工程提供有益的參考。

圖1　H型鋼抗剪鍵錨栓組合鋼柱腳Fig.1　Column base with an H type steel shear keyand embedded bolts

2H型鋼抗剪鍵的分析模型

2.1　基本假定

H型鋼抗剪鍵承載力按下列基本假設(shè)進(jìn)行計算:

(1) 鋼柱腳H型鋼抗剪與混凝土接觸面保持平面。

(2) 不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度。

(3) 混凝土受壓的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線按下述規(guī)定取用[6](圖2)。

當(dāng)εc≤ε0時,

(1)

當(dāng)ε0<εc≤εcu時,

σc=fc

(2)

(3)

ε0=0.002+0.5(fcu,k-50)×10-5

(4)

εcu=0.0033-(fcu,k-50)×10-5

(5)

式中,σc為混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與時的混凝土壓應(yīng)力;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;ε0為混凝土壓應(yīng)力剛達(dá)到fc時混凝土壓應(yīng)變,不大于C50的混凝土取0.002,大于C50按式(4)確定;εcu為抗剪鍵接觸面的混凝土極限壓應(yīng)變,不大于C50的混凝土取0.003 3,大于C50按式(5)確定;fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;n為系數(shù),不大于C50的混凝土取2,大于C50按式(3)確定。

(4) 混凝土應(yīng)變服從線性分布(圖3)。

圖2　混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2　Stress-strain curve of concrete under compression

(5) H型鋼抗剪鍵在先于受壓區(qū)混凝土破壞發(fā)生屈服。

2.2　極限承載力分析

埋深為le的H型鋼抗剪鍵在極限抗剪承載力作用下的計算簡圖如圖3所示,混凝土承壓應(yīng)力的分布由xf和xb表示,其壓應(yīng)力區(qū)的合力分別為Cf和Cb,壓應(yīng)力區(qū)xf的最大混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與u,壓應(yīng)力區(qū)xb的混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣舃,a為剪力的偏心距。

圖3　鋼柱腳H型鋼抗剪鍵的計算簡圖Fig.3　Calculation diagram of a column basewith an H type steel shear key

由于鋼柱腳抗剪鍵局部受壓區(qū)通常并不配置間接鋼筋,所以本文采用素混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值進(jìn)行受力分析[6],并考慮局部荷載非均勻分布影響系數(shù)和混凝土局部受壓強(qiáng)度提高系數(shù)的影響,用fc′表示。

fc′=ωβlfcc

(6)

式中,fc′為考慮局部受壓影響的素混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;ω為荷載分布影響系數(shù),本文取0.75;βl為混凝土局部受壓時的強(qiáng)度提高系數(shù);fcc為素混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,取0.85fc。

下面以普通強(qiáng)度混凝土(≤C50)為例進(jìn)行分析。

根據(jù)幾何關(guān)系和混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可得:

xf+xb=le

(7)

(8)

(9)

(10)

∑X=0:

Vu=Cf-Cb

(11)

∑M=0:

(12)

對于一個給定的受力狀態(tài),可以通過式(11)和式(12)求的Vn和xf,從而可以確定抗剪鍵的承載能力。

對于設(shè)H型鋼抗剪鍵的鉸接柱腳而言,柱底剪力將由底板直接傳遞給H型鋼抗剪鍵。

(13a)

把式(6)帶入式(13a),可得:

Vu=0.24βlfcble

(13b)

3H型鋼抗剪鍵的設(shè)計方法

3.1　埋入長度的確定

柱腳剪力V必須滿足下式要求:

V≤Vu

(14)

把式(13b)代入式(14)可得H型鋼抗剪鍵所需的埋入長度要求:

(15a)

(15b)

3.2　設(shè)計內(nèi)力的確定

由圖3可以看出,H型鋼抗剪鍵用于有效抵抗水平力的有效長度lef為

lef=xf-xb

(16)

式(16)和式(7)聯(lián)合求解,可得,

(17)

當(dāng)a=0時,有ξ=0.43,可得,lef=0.4le。

有效長度lef上混凝土反力對抗剪鍵和過渡板連接面產(chǎn)生的彎矩可近似取:

M=V×lef/2=0.2×V×le

(18)

3.3　抗剪鍵截面驗算

在得到抗剪鍵的設(shè)計彎矩M及剪力V后,可按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[2]驗算抗剪鍵截面和連接焊縫的抗彎、抗剪承載力。

4理論分析與試驗的對比

為了說明理論計算方法的準(zhǔn)確性,本文將文獻(xiàn)[3-5]中的試驗結(jié)果與理論分析進(jìn)行了對比,結(jié)果如表1所示。

表1　試驗值和本文理論分析模型比較Table 1　Comparison between test andtheoretical results

從文獻(xiàn)試驗結(jié)果可以看出,試件破壞主要是由于節(jié)點核心區(qū)梁端混凝土壓碎,屬于明顯的局壓破壞,當(dāng)梁端達(dá)到極限荷載,節(jié)點的水平剪力遠(yuǎn)沒有達(dá)到屈服荷載。

從表1可以看出,采用本文方法可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測試驗結(jié)果,并有一定的安全儲備,可見,按照本文所提出的H型鋼抗剪鍵承載力基本假設(shè)推導(dǎo)出來的公式是合理的,解決了采用中國規(guī)范規(guī)定的混凝土受壓的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)H型鋼抗剪鍵承載力的適用性問題。

5算例

以一個實際工程柱腳為例[7],如圖4所示為H型鋼抗剪鍵錨栓組合鋼柱腳,抗剪鍵連接如圖5所示,其截面為H200×100×16×16。該支座節(jié)點支座壓力N=1 040 kN,水平剪力V=676 kN。鋼材強(qiáng)度等級為Q345B,混凝土強(qiáng)度等級為C45,fc=21 N/mm2。

圖4　H型鋼抗剪鍵錨栓組合鋼柱腳(單位:mm)Fig.4　Details of a column base with an H type steelshear key and embedded bolts(Unit:mm)

圖5　帶過渡底板H型鋼抗剪鍵(單位:mm)Fig.5　H type steel shear key with embed plate(Unit:mm)

(1) 柱腳摩擦力驗算

f=1 040×0.4=416

不滿足規(guī)范要求,需設(shè)置抗剪鍵。

(2) 埋入長度的確定

取300 mm。

(3) 設(shè)計內(nèi)力確定

M=0.2×(V-f)×le=0.2×260 000×

300/106=15.6 kN·m

(4) H型鋼抗剪鍵截面強(qiáng)度計算

H型鋼抗剪鍵H200×100×16×16的截面特性為:

Ix=3347.5 cm4,Wx=334.8 cm3,

W1x=398.6 cm3,

Sx=203.6 cm3,S1x=147.2 cm3

截面邊緣受拉正應(yīng)力計算:

截面腹板中心處的剪應(yīng)力:

腹板邊緣處1點折算應(yīng)力74:

(5) 焊縫截面強(qiáng)度計算

用角焊縫進(jìn)行連接,取焊角高度hf=10 mm。

焊縫截面截面特性為:Ahw=1 904 mm2,Ihx=22 498 321 mm4,焊縫在最外邊緣的截面抵抗矩Ww1=213 052 mm3,焊縫在腹板頂部的截面抵抗矩Ww2=224 983 mm3。

角焊縫最外邊緣的最大應(yīng)力：

角焊縫在腹板頂部的最大應(yīng)力:

148 MPa< 200 MPa

滿足要求。

6結(jié)論

本文針對H型鋼抗剪鍵的設(shè)計提出了實用的符合中國規(guī)范的H型鋼抗剪鍵的分析模型,推導(dǎo)了相關(guān)的設(shè)計公式,并通過理論分析和試驗的對比,驗證了本文提出設(shè)計方法的可靠性,最后給出了一實際工程柱腳抗剪鍵的設(shè)計實例,可為類似工程提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李星榮.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

Li Xingrong.Steel Structure connection design manaul[M].Beijing:China Planning Press,2005.(in Chinese)

[2]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50017—2003Code for design of steel building[S].Beijing:China Planning Press,2003.(in Chinese)

[3]Park W,Yun H.The bearing strength of steel coupling beam-reinforced concrete shear wall connections[J].Nuclear Engineering and Design,2006,236:77-93.

[4]周軍海.鋼梁埋入長度對鋼-砼組合梁與砼剪力墻節(jié)點承載力影響的試驗研究與分析[D].長沙:中南大學(xué),2007.

Zhou Junhai.Test and analysis of the influence of steel girder embedment length of composite coupling beam to the bearing capacity of concrete wall joint[D].Changsha:Central South University,2007.(in Chinese)

[5]朱輝.鋼連梁與混凝土剪力墻節(jié)點承載力實驗研究與分析[D].長沙:中南大學(xué),2008.

Zhu Hui.Test and analysis of the bearing capacity of joint between steel coupling beam and shear wall[D].Changsha:Central South University,2008.(in Chinese)

[6]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50011—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50010—2010Code for design of concrete building[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2011.(in Chinese)

[7]盧家森.多桅桿大跨斜拉結(jié)構(gòu)的拉索設(shè)計方法[J].結(jié)構(gòu)工程師,2011,27(3):31-35.

Lu Jiasen.Cable deaign method of multi-masted large-span cabled-stayed structures[J].Structural Engineers,2011,27(3):31-35.(in Chinese)

收稿日期：2014-11-17

*聯(lián)系作者， Email:lujiasen99@sina.com