220kV裝配式變電站鋼柱腳抗剪性能研究

秦 力，鄭明鶴

(1．東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．中國航空油料有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010070)

在電網(wǎng)的建設(shè)過程中，建造變電站一直采用鋼筋現(xiàn)場(chǎng)綁扎和立模、澆筑混凝土、砌墻的傳統(tǒng)施工方法．采用傳統(tǒng)施工方法有現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多、施工時(shí)間長等缺點(diǎn)．為了方便施工，國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)裝配式變電站．在工程建設(shè)中采用裝配式變電站，有減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量和用工量、縮短建設(shè)周期、降低成本、結(jié)構(gòu)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)．朝陽220 kV裝配式變電站是遼寧省的第一座裝配式變電站，也是遼寧省供電公司的重點(diǎn)項(xiàng)目．

朝陽220 kV裝配式變電站的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)．在鋼結(jié)構(gòu)中，柱腳節(jié)點(diǎn)的主要作用是將結(jié)構(gòu)的上部荷載傳遞到基礎(chǔ)，即柱腳節(jié)點(diǎn)起著連接上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)的重要作用．因此，柱腳節(jié)點(diǎn)是主體結(jié)構(gòu)的重要節(jié)點(diǎn)之一，在設(shè)計(jì)中不應(yīng)被輕視［1］．

我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定柱腳所受的水平剪力由柱底板與基礎(chǔ)頂面之間的摩擦力來承擔(dān)，當(dāng)水平剪力超過摩擦力時(shí)，柱腳應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，剪力由抗剪鍵承擔(dān)［2］．規(guī)范中關(guān)于柱腳抗剪的規(guī)定是否合理值得商榷，柱腳的抗剪承載力應(yīng)該考慮錨栓參與抗剪，在一些歐美國家的規(guī)范中也都有關(guān)于錨栓抗剪的規(guī)定［3］．許多學(xué)者的研究成果都表明柱腳錨栓可以為柱腳提供一定的抗剪能力，國外研究甚至認(rèn)為有只具備抗剪能力的錨栓．針對(duì)柱腳的抗剪能力，許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究［4］．RE Klinger［5］、T Ueda［6］對(duì)錨栓的抗剪性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為錨栓參與抗剪是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素，RA Cook［7］認(rèn)為在柱腳受剪力作用時(shí)，柱腳錨栓在拉力和剪力的作用下達(dá)到其極限承載力，其中剪力是拉力的50%．于安麟［8～9］、李維平［10］提出的鋼柱腳的抗剪計(jì)算方法，主要體現(xiàn)了柱腳的整體抗剪性能，李德滋［6］通過對(duì)柱腳在靜力荷載作用下抗剪性能的研究，得出了柱腳錨栓應(yīng)該參與抗剪的結(jié)論．

本文通過朝陽220 kV裝配式變電站的工程實(shí)例，對(duì)鋼柱腳的抗剪能力進(jìn)行了理論分析計(jì)算與有限元分析，以此來研究鋼柱腳實(shí)際的抗剪能力，并對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提出建議．

1 鋼柱腳有限元分析

試件為朝陽220 kV裝配式變電站柱腳節(jié)點(diǎn)，柱腳所受最大軸向荷載為48 kN，柱截面為H型鋼柱，腹板長190 mm，厚度10 mm，翼緣長150 mm，厚度12 mm，柱長取500 mm，錨栓直徑為30 mm，鋼柱底板尺寸為200 mm×200 mm×20 mm，柱底混凝土墊層厚度為100 mm．錨栓鋼材采用Q345，屈服強(qiáng)度345 M Pa，彈性模量206 GPa，鋼柱采用Q235，屈服強(qiáng)度235 MPa，彈性模量200 GPa．基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度為C30，抗壓強(qiáng)度fc=14．3 MPa．混凝土本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的本構(gòu)關(guān)系．

1．1 有限元模型的建立

幾何模型分為4個(gè)部分，由混凝土基礎(chǔ)、鋼柱、錨栓和鋼筋組成．混凝土采用塑性損傷模型，單元類型C3D8R．簡(jiǎn)化了錨栓的模型，螺母與錨桿的螺紋連接簡(jiǎn)化處理為一體，不單獨(dú)對(duì)錨栓螺紋建模，建模時(shí)錨栓截面直徑直接采用有效直徑［11］，單元類型C3D8R．鋼筋采用桁架類型，單元類型T3D2．底板與混凝土的接觸，螺栓與混凝土的接觸等，所有的接觸屬性均采用通用面－面接觸，接觸部分對(duì)單元網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，在保證結(jié)果準(zhǔn)確度的條件下節(jié)省計(jì)算成本，分析模型在軸向壓力作用下的抗剪能力［12］．

模型的邊界條件設(shè)置:限制基礎(chǔ)底面X方向、Y方向和Z方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，限制柱頂面的X方向和Y方向的平動(dòng)自由度及X方向，Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［13］．

節(jié)點(diǎn)模型如圖1所示，加載時(shí)在柱頂設(shè)置參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與柱頂面耦合，通過在參考點(diǎn)上施加荷載來實(shí)現(xiàn)模型的軸向受力和水平受力．模型其它參數(shù)不變，模型在柱頂施加0 kN、24 kN和48 kN的軸向荷載，分別命名為ZJ－1、ZJ－2和ZJ－3，同時(shí)在柱頂施加水平荷載，進(jìn)行有限元分析．

圖1 有限元模型

1．2 柱腳合理破壞模式分析

鋼結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點(diǎn)是由鋼柱和鋼筋混凝土兩種材料組成的，所以，柱腳有可能的破壞是柱腳錨栓的破壞和基礎(chǔ)混凝土的破壞．其中基礎(chǔ)混凝土的破壞形式主要有混凝土的受壓開裂破壞和混凝土剪切破壞兩種．柱腳錨栓同時(shí)受到拉力與剪力的作用，其破壞形式包括錨栓受拉屈服被拉斷，錨栓受彎矩和剪力作用導(dǎo)致錨栓發(fā)生彎曲和剪切變形直至錨栓被剪斷．在柱腳發(fā)生的各類破壞中，只有柱腳錨栓變形破壞的破壞模式為延性破壞，能夠保證鋼柱腳具有穩(wěn)定的變形能力，同時(shí)也可以留有一定的安全儲(chǔ)備，符合柱腳設(shè)計(jì)的要求［4］．混凝土破壞屬于脆性破壞，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免這種情況發(fā)生．

1．3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)柱腳同時(shí)施加軸向荷載和水平荷載，獲得柱腳節(jié)點(diǎn)的M－θ曲線．其中M=PH，M表示柱腳所受彎矩，P表示柱頂所受水平荷載，H表示柱子的長度．

可以依據(jù)下列條件判斷柱腳節(jié)點(diǎn)破壞［14］:

(1)M－θ曲線的斜率仍然為正，即曲線處于上升階段，但是荷載曲線的退化程度達(dá)到15%及以上．

(2)M－θ曲線的斜率變?yōu)樨?fù)值，即曲線開始下降．

對(duì)柱腳ZJ－1施加軸向荷載和水平荷載，獲得柱腳柱頂?shù)腗－θ曲線如圖2所示．模型在加載初期結(jié)構(gòu)角位移、錨栓應(yīng)變均呈線性關(guān)系，此時(shí)錨栓還處于彈性階段，隨著水平荷載持續(xù)增加時(shí)，ZJ－1的M－θ曲線斜率下降，隨后柱頂位移快速發(fā)展，構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，此時(shí)受拉側(cè)錨栓屈服，即ZJ－1已經(jīng)被破壞，此時(shí)水平荷載為138 kN，如圖3(a)、圖3(b)所示，此時(shí)受拉側(cè)錨栓所受應(yīng)力已達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，同時(shí)受拉側(cè)錨栓也產(chǎn)生了一定的塑性應(yīng)變，即受拉側(cè)錨栓屈服，柱腳破壞．如圖3(c)、圖3(d)所示，此時(shí)受壓側(cè)錨栓所受應(yīng)力未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度．如圖3(e)所示，受拉側(cè)錨栓屈服時(shí)，鋼柱底板并未屈服．ZJ－2、ZJ－3的情況與 ZJ－1類似，不同之處在于，ZJ－2、ZJ－3破壞時(shí)的角位移較小，因此可以認(rèn)為施加軸向荷載，增大了柱腳的剛度，柱腳破壞時(shí)產(chǎn)生變形較小時(shí)，水平荷載達(dá)到144 kN，ZJ－3破壞時(shí)的水平荷載為150 kN．

圖2 鋼柱腳荷載位移曲線

圖3 鋼柱腳錨栓應(yīng)力云圖

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，柱腳在軸向荷載為ZJ－1、ZJ－2、ZJ－3的抗剪承載力分別可以達(dá)到138 kN、144 kN、150 kN．將模擬結(jié)果與規(guī)范中規(guī)定的鋼柱腳的抗剪承載力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬值遠(yuǎn)高于規(guī)范值．

2 柱腳抗剪承載力計(jì)算與結(jié)果分析

我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8．4．13條規(guī)定:柱腳錨栓不宜用以承受柱腳底部的水平反力，此水平反力應(yīng)由底板和混凝土之間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0．4)或設(shè)置抗剪鍵承受剪力［15］．即柱腳抗剪承載力值可以按下式計(jì)算:

式中:N為軸向力;μ為柱腳底板與混凝土的摩擦系數(shù);按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值．

規(guī)范中規(guī)定的抗剪承載力僅考慮了柱底板與混凝土基礎(chǔ)之間的摩擦力，并未考慮錨栓同混凝土基礎(chǔ)組成的系統(tǒng)抗剪能力，導(dǎo)致規(guī)范中規(guī)定的柱腳的抗剪承載力值偏低，設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)比較保守．

由于柱腳受力較為復(fù)雜，規(guī)范中對(duì)于柱腳的抗剪承載力也沒有準(zhǔn)確的規(guī)定，使得學(xué)者們針對(duì)鋼柱腳的抗剪承載力提出的計(jì)算方法各不相同，各有側(cè)重，目前主要的計(jì)算方法有以下幾種:

(1)哈爾濱建筑工程學(xué)院李德滋教授［16］建議的方法:

式中:n為參與抗剪錨栓數(shù)目;Ae為單根錨栓的有效截面面積;fvm為錨栓的抗剪強(qiáng)度，公式中去fvm=130 N/mm2．

該方法同時(shí)考慮了錨栓的抗拉和抗剪，認(rèn)為所有錨栓均參與抗剪，并且同時(shí)屈服，認(rèn)為柱腳的水平剪力由底板與混凝土接觸面上的摩擦力和錨栓共同承受．此方法只提供了單個(gè)錨栓抗剪承載力的計(jì)算方法，沒有考慮鋼柱腳的整體抗剪能力，認(rèn)為柱腳所有錨栓抗剪承載力直接相加的總和即為柱腳的抗剪承載力．

(2)西安冶金建筑學(xué)院于安麟教授［8～9］建議的方法:

式中:N為柱頂軸向荷載;Ae為錨栓有效截面面積;Ty為受拉側(cè)錨栓總拉力;β為調(diào)整系數(shù)，取0．65;fy為錨栓材料屈服強(qiáng)度;nc為受壓側(cè)錨栓數(shù);0．4為柱底板與基礎(chǔ)頂面的摩擦系數(shù)．

李維平教授認(rèn)為柱腳中所有錨栓不可能全部參與抗剪，計(jì)算其抗剪承載力時(shí)取受拉側(cè)及受壓側(cè)錨栓各一半?yún)⑴c抗剪更合理，同時(shí)留有一定的安全儲(chǔ)備，受拉側(cè)錨栓屈服即宣告柱腳破壞，取普通螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值作為錨栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［17］．

將上述方法計(jì)算所得到的計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1、表2、表3所示．

該方法認(rèn)為當(dāng)柱腳上作用外力時(shí)，只有柱腳的受壓側(cè)錨栓參與抗剪，柱腳的合理破壞模式為受拉側(cè)錨栓的屈服破壞．并認(rèn)為當(dāng)柱腳破壞時(shí)，受壓側(cè)錨栓與受拉側(cè)錨栓同時(shí)屈服．

(3)北京建筑工程學(xué)院李維平教授［18］建議的方法:

式中:N為柱頂軸向荷載;σ為受拉側(cè)單根錨栓正應(yīng)力;n1為受拉側(cè)錨栓的數(shù)目;n2為參與受剪錨栓的數(shù)目;Ae為錨栓有效截面面積;fy為錨栓材料屈服強(qiáng)度;β為調(diào)整系數(shù)，取0．65;τ為受拉側(cè)單根錨栓剪應(yīng)力;μ為柱底板與基礎(chǔ)頂面的摩擦系數(shù)，按美國ACI349－06取值．

通過以上對(duì)比可以看出，按李維平教授計(jì)算方法獲得的計(jì)算值與模擬值的誤差均在20%以內(nèi)，符合度更高，結(jié)果更準(zhǔn)確．而于安麟教授、李德滋教授提出的方法獲得的抗剪承載力值均在模擬值的2倍以上，誤差偏大，并不合理，于安麟教授的方法認(rèn)為在柱腳破壞時(shí)，受壓側(cè)錨栓和受拉側(cè)錨栓會(huì)同時(shí)屈服，根據(jù)模擬結(jié)果，這種情況并不合理，實(shí)際上在受拉側(cè)錨栓屈服時(shí)，受壓側(cè)錨栓中只存在較小應(yīng)力，錨栓并未屈服，所以于安麟教授方法中柱腳破壞時(shí)受壓側(cè)錨栓應(yīng)力取fy是不合理的，這也導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果偏大．而李德滋教授的方法并沒有考慮柱腳的整體抗剪承載力，僅考慮了單個(gè)錨栓的抗剪承載力，并以單個(gè)錨栓抗剪承載力的總和作為柱腳的抗剪承載力，導(dǎo)致了該方法整體的計(jì)算結(jié)果偏大．

表1 計(jì)算結(jié)果與ZJ－1模擬結(jié)果對(duì)比

表2 計(jì)算結(jié)果與ZJ－2模擬結(jié)果對(duì)比

表3 計(jì)算結(jié)果與ZJ－3模擬結(jié)果對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果、模擬結(jié)果與規(guī)范規(guī)定值的比較可以看出，我國規(guī)范對(duì)于柱腳抗剪承載力的規(guī)定并不合理，規(guī)范規(guī)定的柱腳抗剪承載力僅為柱腳實(shí)際抗剪承載力的10%左右．即在考慮錨栓抗剪能力的條件下，柱腳所具備的抗剪承載力遠(yuǎn)高于規(guī)范中規(guī)定的柱腳抗剪承載力值，這說明錨栓可以參與柱腳抗剪，而且可以提供比較可觀的抗剪承載力，這部分抗剪承載力不應(yīng)該被忽視，在設(shè)計(jì)柱腳時(shí)應(yīng)當(dāng)被利用起來［19］．

尤其在類似朝陽220 kV裝配式變電站這種整體自重較小的鋼結(jié)構(gòu)中，規(guī)范規(guī)定的柱腳抗剪承載力會(huì)遠(yuǎn)低于其實(shí)際值，如果考慮錨栓參與抗剪，可以有效的利用柱腳的實(shí)際抗剪承載力．

3 結(jié) 論

(1)李維平教授提出的計(jì)算方法可以較準(zhǔn)確的計(jì)算鋼柱腳的抗剪承載力．

(2)我國規(guī)范所采用的計(jì)算方法比較保守，根據(jù)規(guī)范所得抗剪承載力與柱腳實(shí)際抗剪承載力差距較大．

(3)錨栓同混凝土基礎(chǔ)組成的系統(tǒng)可以提供較強(qiáng)的抗剪承載能力，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮柱腳錨栓參與抗剪，這樣可以有效的提高柱腳的抗剪承載力，提高設(shè)計(jì)柱腳時(shí)設(shè)置抗剪鍵的分界點(diǎn)，從而減少抗剪鍵的設(shè)置，以達(dá)到降低工程成本，降低施工難度的效果．

(4)為避免柱腳柱腳的脆性破壞，保證柱腳的合理破壞模式，設(shè)計(jì)柱腳時(shí)必須保證基礎(chǔ)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及其各種尺寸．

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