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　　浙江大学建筑工程学院杭州310027)浙江杭萧钢构股份有限公司杭州310006)对外包式钢柱脚的设计方法进行分析研究,在分析其传力机理的基础上,指出由于栓钉的存在,钢柱必然传递一部分轴力给外包混凝土柱,利用组合柱理论对外包混凝土的压力进行计算,得到了简单的公式。通过算例发现:传递到外包混凝土的轴力是总轴力的20%30%。根据混凝土外包钢柱脚的设计原则,对柱脚内弯矩和剪力的传递进行了分析,发现钢柱内的剪力和外包混凝土内的剪力是反向的,混凝土承担的剪力比柱子总剪力还要大。基于此参照日本建筑中心的资料,对外包式柱脚的抗剪设计强度提出了设计计算公式k8凯发天生赢家一触即发。最后总结了一个完整的外包式柱脚的设计方法。关键词:外包式钢柱脚荷载传递抗剪强度组合柱DESIGNMETHODENCASEDSTEELCOLUMNBASESTongGenshuZhejiangUniversityHangzhou310027)GuoLixiangZhejiangHangxiaoSteelStructureCo.LtdHangzhou310006)Abstracttheoreticalstudycarriedoutcurrentdesignapproachencasedsteelcolumnbases.loadtransferwithinencasedbasesmustanalyzed.Becausestuds,partaxialloadtransferredfromsteelexteriorconcrete.analyticalsolutionaxialloadconcrete.Throughcalculatedexamplesaxialforce20%~30%totalaxialforcebottommostbase.encasedsteelcolumnbasesrequiresbendingmomentbeingtransferredexteriorreinforcedconcretefullyshearforceexternalshearforcecolumn,thereforeshearforcecarriedexteriorconcreteevengreaterexternalshearforce.Accordingnewdesignagainstshearforceproposed.Finallydetaileddesignprocedureproposed.Keywordsencasedsteelcolumnbaseloadtransfershearstrengthcompositecolumn第一作者:19**年10月出生博士教授博士生导稿日期:2008-02-20外包式刚接柱脚是将钢柱用混凝土包起来形成的柱脚,如图1所示。这种柱脚是20世纪80年代从日本引进,箍筋10@100;基础内箍筋延续10@100;顶部加强箍筋(焊接封闭)312@50;纵向主筋,顶部下弯150mm;钢柱底板底面宜低于基础梁表面;外包式柱脚构造Fig.structureencasedsteelcolumnbase计方法也是参考日本有关学者的脚抗剪承载力方法有很大的不同,相比起来,5高层民用建筑钢结构设计规程6(JGJ99-98)以下简称/规程0)对柱脚的抗剪极限承载力过于乐观,因此有必要对其做进一步的研究。是中日两国有关书籍以及本文研究后得到的一个更加明确具体的构造要求。其中要说明的是:外包式柱脚的钢筋混凝土包脚高度、截面尺寸和箍筋配置(特别是顶部加对柱脚的内力传递和恢复力特性有重要的作用。因此应该使得包脚高度足够,混凝土的保护层也要足够。为了纵筋能可靠锚固,在顶部纵筋要做成弯钩状,下弯不得小于150mm。规程0没有明确柱子的轴力是否全部由102IndustrialConstructionVol138,No110,2008工业建筑2008年第38卷第10柱底板传递到下部的混凝土基础上,有些书籍要求全部通过柱底板传递。虽然设计时H形截面柱子的翼缘上的栓钉数量只要求按照传递弯矩来计算,由于布置了栓钉,然会有一部分传递到混凝土上,通过混凝土柱传向基础,此钢柱中轴力逐渐变小,而混凝土柱中轴力逐渐增大,见图2b。外包式柱脚中力的传递Fig.Forcetransferencasedsteelcolumnbases传递到外包混凝土内的轴力的上限是按照钢截面和外包混凝土截面的轴压刚度进行分配的。由于外包混凝土高度较小,而栓钉是一种柔性抗剪连接件,混凝土的界面将产生滑移,传递到混凝土的压力将更小,一般为20%30%,但也受到钢截面的轴压承载力和混凝土截面的轴压承载力之比的限制(见下面小节按照组合截面的内力分析)弯矩的传递:弯矩的传递与轴力的传递完全不同,为弯矩正比于抗弯刚度,外包混凝土处在截面的外围,对抗弯比较有利。假设外包混凝土与内部的钢截面侧移相同,即使两者界面上没有栓钉,两者的弯矩分配也要按照各自的抗弯刚度进行分配,而这里混凝土和钢柱子的形心处在相同的位置,保证了钢柱和混凝土之间没有栓钉时的抗弯刚度与两者完全组合时的抗弯刚度是完全相同的(当然是弹性、混凝土不开裂的假定下)。如果设外包混凝土因传递了竖向压力而在弯矩作用下不开裂,钢截面为H50020P30,其截面抗弯刚度为317051014N#mm而外包混凝土截面的抗弯刚度为0185EN#mm两者占总抗弯刚度的比例分别为25%和75%,因此在柱脚底部,即使钢柱子伸入基础中去,柱脚的弯矩也大部分由外包混凝土承受。由于上钢柱在柱底近似于铰接,所以近似认为弯矩100%由混凝土承受。因为外包混凝土的顶面,混凝土承担的弯矩为0,底部钢柱中止,弯矩全部转移到外包混凝土部因此可以画出弯矩图如图2c所示(图中的弯矩变化仅是示意,准确的描述是很困难的)钢柱外包混凝土的柱脚,即使在弹性阶段,两者的共同作用也不能完全采用钢-混凝土组合构件理论来解决。因为按照钢-混凝土共同作用理论,在外包混凝土的顶部,cIcyd计算将出现弯矩,而实际上没有弯矩。这表明:外包混凝土顶部应加强与钢柱的连接(例如箍筋加大加密,竖向钢筋与钢柱子设法焊接)以利于钢-混凝土的共同工作k8凯发天生赢家一触即发。剪力的分布:柱子承受的总剪力是承担一部分,外包混凝土柱子承担一部分。k8凯发天生赢家一触即发但是由图2d所示的剪力图发现,外包混凝土承担的剪力要比钢柱子承担的剪力还要大,因为剪力是弯矩的导数,其值沿高度的平均值为:QcMbasehrbase为柱脚弯矩;为从上部第1支箍筋起算到钢柱底板底面的距离。此处钢柱被外包的部分, 由于弯矩在减小, 因此钢柱承 担的剪力是反向的, 这是混凝土部分承担的剪力反而比内力 分析得到的剪力还要大的原因。 如果弯矩图不是如图 2c 那样线性变化, 只要钢柱柱脚 弯矩为0, 则在某些截面( 按照图 2c 所示的混凝土部分的弯 矩曲线, 是在底部) 还要大。对抗震结构, 因为要求混凝土构件不能在混凝土截面形 成弯曲塑性铰以前发生剪切破坏, 必须按照强剪弱弯的设计 思想进行验算, 剪力的取值为: MP,con Mp,con 是外包钢筋混凝土提供的极限弯矩。 从内力传递看, 上述剪力不是靠钢柱柱底板与底部混凝 土的摩擦力所传递的, 因为按照图2d 的剪力图, 钢柱底部的 剪力是反向的。 因为剪力和弯矩之间存在平衡条件, 因此将它们放在一起 来讨论极限状态下钢柱和外包混凝土之间的力的传递。讨论基 于如下的假定( 与外包混凝土钢柱脚的设计原则相符合) 极限状态下钢柱两个翼缘表面焊接的栓钉其抗剪能力达到了极限状态。k8凯发天生赢家一触即发 柱脚截面的弯矩Mbase QH,其中, 是柱子反弯点到柱脚的距离。M base 由外包混凝土内的配筋和混凝土受压承担, 如图3 所示。设混凝土压力的合力与受拉区拉力合力的距 103 外包式钢柱脚设计方法研究) 是受拉钢筋屈服的合力。按照目前外包式柱脚的设计方法, 根据 Ft 来确定栓钉 的直径和数量。在高度为 hr 将栓钉上的剪力换算到单位高度上的数值为: 构成分布力矩,总的力矩为: 可见,在考虑剪力Q 和界面剪力q 截面还存在弯矩Mbase Mqu。这与钢柱柱底截面的弯矩可以忽略的基本假定不符合。因此钢柱上还应该作用其他的 力。如果将外包混凝土看成是钢管, 钢柱内插在钢管里, 柱上作用水平剪力,最先产生的反力将是图3c 所示的在外 包钢管上下的水平反力。因此钢柱上将产生图 3a 所示的右 侧翼缘上部的承压力p1 和左侧翼缘下部( 高度为 还有一部分是两翼缘之间的核心混凝土与外包混凝土界面上的水平剪应力S 钢柱的平衡1Fig. steelcolumn( p1和S1 的合力为 R1 S2的合力为 R2 水平力平衡的要求: 可以判断钢柱内的弯矩,如图3d 所示。图3d 显示钢 柱下部有负弯矩, 这种情况实际出现的可能性不大, 因为外