外露式圆钢管柱刚接柱脚设计研究 科研 开发 外露式圆钢管柱刚接柱脚设计研究 孟宪德 (艾奕康咨询有限公司，上海 200021) 摘 要：对外露式圆钢管柱刚接柱脚在压弯和拉弯工况下底板的受力状态进行研究，根据内力平衡和变形协调等 条件给出混凝土压应力、受压区长度、锚栓拉力的方程，详细给 出方程的求解过程，推导出可供设计人员使用的实 用计算公式，并通过一个具体算例来验证公式的有效性。 关键 词 ：圆钢 管；刚接 ；柱脚 ；锚 栓 RESEARCH oN DESIGN M ETHoD FoR BARE AND RIGID CH...
科研 开发 外露式圆钢管柱刚接柱脚设计研究 孟宪德 (艾奕康咨询有限公司，上海 200021) 摘 要：对外露式圆钢管柱刚接柱脚在压弯和拉弯工况下底板的受力状态进行研究，根据内力平衡和变形协调等 条件给出混凝土压应力、受压区长度、锚栓拉力的方程，详细给 出方程的求解过程，推导出可供设计人员使用的实 用计算公式，并通过一个具体算例来验证公式的有效性。 关键 词 ：圆钢 管；刚接 ；柱脚 ；锚 栓 RESEARCH oN DESIGN M ETHoD FoR BARE AND RIGID CHS COLUMN FooT Meng Xiande (AECOM Consulting Co．Ltd，Shanghai 20002 1，China) ABSTRACT：Based on plane cross～section assumption and linear elastic theory，it is deduced the equations containing the compressive stress in base concrete，the compress zone and the tensile force in anchor bolts according to equilibrium equations and deformation compatibility condition．The process to get the solution is discussed in detail，k8凯发天生赢家一触即发 and the practical solution is given．Finally，an engineering example is provided to demonstrate the validity of the solution． KEY WORDS：round steel tube；rigid connection；column foot；anchor bolt 1 概 述 圆钢管柱由于优异的力学特性和光洁的建筑外 观等特点，在
中得到大量应用。圆底板的外露 式圆钢管柱刚接柱脚，如图 1所示，由于传力路径清 晰、易于加工制作等原因，在工程实际中较常见。 o ，
‘ 厶I l 一 r ol 厂 弋 ‘D1 。 l 1。。D 。。l a一柱脚空间 ．b一柱脚平面 ；c—A—A 图 1 柱脚节点 目前的节点设计手册等资料没有给出此种柱脚 的设计方法[1 ]，并且相关的研究也较少。靳慧[3] 对刚接圆钢管柱柱脚进行了研究，给出相应的设计 公式，但其关于底板混凝土压应力的计算仍采用矩 形板的计算方法。左权胜[4 在勒慧的基础上给出压 弯工况下圆底板混凝土压应力、锚栓拉力的计算公 式，但公式过于复杂，公式中含待求解的积分，需借 助专业的数学软件才能给出计算结果；且公式的适 用前提为单根锚栓受拉，这与工程实际不符，给出的 锚栓直径将偏大较多；此外，对拉弯工况也没有展开 讨论 。 本文在现有的刚接柱脚研究基础上，根据内力平 衡和变形协调假定，推导给出较实用的压弯工况下圆 底板混凝土压应力分布及锚栓拉力的计算公式。对 拉弯工况下柱脚底板的受力状态进行 了讨论。最后 通过一个具体算例，验证本文公式的实用性。 2 假定与符号 柱脚底板的混凝土压应力与锚栓拉力的计算方 法采用钢筋混凝土梁弹性比拟法_5]，即锚栓的应变 与混凝土的应变可采用平截面假定来协调。假定混 凝土不承受拉应力，即底板受拉区的混凝土拉应力 为 0；锚栓不承受压力，即底板受压区的锚栓压力为 0。假定在弯矩作用下，受拉侧的锚栓数量最多考虑 3根 。 在压弯和拉弯工况下，柱脚底板的典型受力状 态如图 2所示，图中：R为柱脚底板半径；D为直径； L 为锚栓中心与底板外边的距离；7为锚栓均布夹 角；N为柱底轴力(压力为正)；M 为弯矩；e为(e一 作 者：孟宪德，男，1976年出生，博士。 Email：Xiande． 收稿 日期：2011—03—10 12 钢结构 2011年第 6期第 26卷总第147期 孟宪德：外露式圆钢管柱刚接柱脚设计研究 M／N)偏心距； 为混凝土最大压应力 (正值)；X 为混凝土受压区长度；T。为锚栓拉力。 图 2 底板受力状态模型 公 瓦 推 导 大部分刚接柱脚以压弯作用为主(本文不讨论 剪力问题)。在压弯作用下，部分区域混凝土受压， 部分锚栓可能受拉。现根据图 2所示的受力状态， 建立方程如下。 对O点取矩，根据∑M—o得： 一 (R—L )+ 2丁2(R—L )cosy+Ne=== 2j cosa--cos0sin20 cost／彻 出= J 1一 o acR。 ／ 一 sin0cos0 sin30cos0、 1一cos0l 8 12 J～ 2趣OcRa ‘ rcc。s( )一 ]__ 一Xn)． R2 l 12⋯ R二 业 l (1) R t 一 根据竖向合力平衡∑Y一0得： Tl+2T2+N一2I。 R sin2口d — J 0 l— C0SU 2 ( 一cos0 )一 2—岳 ．』 ． ， ～ ● I一 ，^兀 一I 一^ I一 ● 1 R—x 1 3R。 “ ’ R 一 (R—Xn) 卜 arccos( )一 R — x 、 二 R R (2) 采用钢筋混凝土梁弹性比拟法嘲给出的变形协 调方程为 ： 一 E ～ X s T1 2R — L 一 X A。E (3) 一 R -- X ．， ． ~ ， + ( R -- L ． ,)cosyT 。 (4) 一 Z 一 一 Lt L4 式中：e 、e。分别为混凝土和锚栓的最大应变 ；E 、E 分别为混凝土和锚栓的弹性模量；A 为单根锚栓的 截面积。 设 ： 一 (5) 一 — 一 ) 由式(1)、式 (4)、式(5)可得 ： 一 cR—Lt 1+2盈 c。sy]+ № 一 2 1-~L !! 二8翌衄 一 ] (6) 12 l ⋯ 由式 (2)、式 (4)、式 (5)可得 ： T 1+2 ]+N===2 · [ 旦 一 丑] (7) 由式(3)、式(5)可得锚栓拉力 T ： T 一 ㈣ 一— — 午 一 设 ： )一 ～ ． (9a) 2 ⋯ )=== 一 翌 二 三 12 一 番 ，一 2 由式(6)、式(7)、式(9)可得： -- 一 T1(R—L )[1+J(叩)cosy-]+Ne 丁1[1+ (77)]+N (9b) (9c) (9d) Steel Construction．2011(6)，Vo1．26。No．147 13 科研开发 对式 (10)变换得到锚栓拉力 T ： T 一Eef(Tp—Rg(叼)]N／{(R—L )[1+ J(r／)cosT]·厂( )+RE1+ ( )]·g(r／)) 由式 (7)一式(9)可得 ： ! ± ! ± 一! R三2 !! T1 A h(r1) 对式 (12)变换得到锚栓拉力 T ： (11) (12) 丁】一 — — — — — — — — 一 N (13) 一 由式 (11)、式(13)得 ： A {[1+J(~)cos7](R—L )+[1+J(卵)]e)· 77)一 2 [-厂( ) —g )R] (14) 对式(14)变换 ，得到仅含一个未知数 方程 ： 2R — z 一 (1一 ){[1+ ( )c。s／I(R—L )+ [1+j(r1)]e· ( ))／[ (7)一Rg( )](15) 可采用数学软件或自编程序，对式(15)进行求 解，可得 叩的数值解，进而得出受压区长度 X 。亦 可在 EXCEL等工具中采用试算法，求得符合精度 要求的数值解 。 解得受压区长度 X 后 ，根据式 (11)可得 到锚 栓 的拉力 T ，根据式(3)、式 (9)可得到底板下混凝 土的最大压应力 ： c 一 1 1 ‘ 。) 4 适用性讨论 4．1 压 弯工 况 在压弯工况下，可能出现锚栓无拉力等几种不 同的受力状态 ，现展开讨论 ： 1)0
人员摘挂钩使用，缆风绳及防坠器也 应一同挂牢。 起吊采取 2点起吊，先放松吊点 2处钢丝绳 ，由 起重信号工统一发令起升，使钢管柱缓慢起立，起升 过程 中施工人员应对 吊点处进行观察 ，防止卡环打 拧和加固保护用的木方弹蹦。当钢柱接近直立而尚 未离地时，信号工发令指挥缓慢起升，施工人员应拽 紧底部溜绳，防止钢柱离地立直瞬间大幅摆动，造成 冲击或碰撞 。 钢柱离地不再大幅晃动后，缓慢提升到距楼 (地)面约 300 mm高时暂停起升，观察并检查各方 面均符合吊装要求后，再缓慢起升到合适高度；然 后，再转动吊臂将钢管柱缓慢吊装至安装位置上空， 吊机 落钩时将 钢管柱缓慢 下落至基 础面上约 500 mm位置时暂停；施工人员利用葫芦缓慢拉紧吊 耳 2的钢丝绳，缓慢调整钢柱的角度，使钢柱的倾斜 度达到 14．5。左右，再缓慢落钩，钢管柱落位到安装 位置后 ，用缆风绳将钢柱临时固定。 第 1段钢管柱安装完成后 ，应立即在柱脚板 与 混凝土基础面之间的 50 mm空隙之间进行二次灌 浆，并及时安装下部各专业的设备管。在下部各专 业的设备管完成并报验后，再进行基础外包混凝土 及 内部混凝土的浇筑及养护，同时对外露钢管柱端 口及设备管进行防磕碰成品保护。在二次灌浆养护 阶段，应安排专人现场巡视检查缆风绳状态，防止人 为拆除或松动缆风绳 。 在满足缆风绳牵引距 离的情况下 ，将缆风绳固 定于附近混凝土柱上。如遇到清水混凝土柱 ，则 固 定于混凝土柱底处 。 参考文献 [1] 吴恒富．自行式起重机吊装实用手册[M]．北京：中国石化出 版社出版，2003． [2] 何焯．设备起重吊装工程便携手册[M]．北京：机械工业出版 社，2003． [3] 中国钢结构协会 ．建筑钢结构施工手册[M]．北京：中国计划 出版社 ，2004． (上接第 14页) 根据式 (11)可得锚栓最大拉力 T 一282 kN
)[M]． 北京：中国建筑工业出版社，2004． [3] 靳慧，张其林，许志民．弯、剪、扭共同作用下刚接圆钢管柱柱 脚计算[J]．工业建筑，2005，35(12)：84—87． [4] 左权胜，周鹏洋，梁意 ．外露式钢结构刚性固定柱脚设计探讨 [J]．钢结构，2007，22(12)：57—59． [5] 童根树，吴光美 ．钢柱脚锚栓设计内力计算方法综述[J]．建 筑结构，2004，36(6)：55—57． 欢迎访问《钢结构》杂志网站 http：／／—mag．corn 68 钢结构 2011年第 6期第 26卷总第 147期
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