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鋼結(jié)構(gòu)柱腳的形式及設(shè)計(jì)原則

2013-08-15 00:49趙培蘭
關(guān)鍵詞:柱腳錨栓鋼柱

趙培蘭

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030027)

目前,鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中,構(gòu)件的承載力雖然重要,但是節(jié)點(diǎn)部位對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性尤為重要。其中最重要的節(jié)點(diǎn)部位就是梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn),這兩種節(jié)點(diǎn)若有一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題,將會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成很大的損失,所以在設(shè)計(jì)中對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式的選擇和構(gòu)造處理方法尤為重要。但多年來(lái)人們對(duì)梁柱的節(jié)點(diǎn)連接比較重視,而對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)連接形式及構(gòu)造重視不足。因此,我們要對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)形式的選用和設(shè)計(jì)原則有個(gè)概念性的把握。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的柱腳而言,不是指柱構(gòu)件下端,而是指最下層柱構(gòu)件的下端和基礎(chǔ)混凝土的連接部分。柱腳是將最下層柱下端所受的軸力、彎矩、剪力有效地傳遞給基礎(chǔ)。目前,常用的鋼結(jié)構(gòu)的柱腳有外露式柱腳、混凝土外包式柱腳和埋入式柱腳三種類(lèi)型。

一、外露式柱腳

1.特點(diǎn)

外露式柱腳是通過(guò)錨栓將柱腳底板連同柱構(gòu)件的下端和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)相連接形成的柱腳。這種柱腳在混凝土基礎(chǔ)中首先預(yù)埋錨栓,主要是因?yàn)橹涌梢栽诨炷吝_(dá)到強(qiáng)度后再吊裝,基礎(chǔ)梁的配筋等施工作業(yè)和鋼柱的吊裝可以分別進(jìn)行,所以外露式柱腳有施工簡(jiǎn)單并且能有效縮短工期等優(yōu)點(diǎn)。除高層建筑外,大部分中小規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)都利用此優(yōu)點(diǎn)而采用外露式柱腳。但此柱腳的剛度和承載力等力學(xué)性能比其他柱腳形式偏低。多層鋼結(jié)構(gòu)住宅柱腳不宜采用這種柱腳,因?yàn)檫@種柱腳的抗震性能欠佳。外露式柱腳主要承受彎矩、剪力、和軸力,一般錨栓承受拉力,壓力由柱腳底板和混凝土基礎(chǔ)的接觸面?zhèn)鬟f,剪力不能由錨栓承擔(dān),而由底板和基礎(chǔ)接觸面的摩擦力傳遞,如果摩擦力不足可以通過(guò)設(shè)置抗剪鍵的方式來(lái)承擔(dān)柱底的剪力。

2.外露式柱腳設(shè)計(jì)原則

(2)錨栓要使用有延性能力的錨栓。如果不使用延性能力的錨栓,按破壞狀態(tài)時(shí)錨栓也不能進(jìn)行屈服設(shè)計(jì)。

(2)錨栓在混凝土基礎(chǔ)的錨固長(zhǎng)度為2 0 d以上,并且在錨栓端部設(shè)置錨板。錨栓使用墊圈和雙重螺帽或者其他方式以防止松動(dòng)。

(3)防止基礎(chǔ)混凝土的壓壞和割裂破壞,確保不發(fā)生螺栓被拔出引起沖切破壞柱腳底板下用無(wú)收縮砂漿密實(shí)填充。采用砂漿的壓實(shí)強(qiáng)度應(yīng)高于基礎(chǔ)混凝土的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度。

(4)在應(yīng)力作用下,柱腳底板不宜發(fā)生屈服,對(duì)于輕鋼柱腳底板厚度不低于20 m m,其他柱腳底板厚度不小于柱翼緣厚度的1.5倍或3 0 m m。

二、外包式柱腳

1.特點(diǎn)

外包式柱腳,是在鋼柱底部的外側(cè)用鋼筋混凝土包裹起來(lái),其截面的構(gòu)成為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)并且與非埋入式柱腳相同。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)柱沒(méi)有必要預(yù)先埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)所以其施工性較好,柱腳的固定性也高。但由于外包部分的截面變大樓面的有效面積減少,且受裝修上的影響,采用此種形式的建筑物的用途會(huì)有限制。工廠、倉(cāng)庫(kù)、停車(chē)場(chǎng)等為防止車(chē)輛、叉車(chē)碰撞時(shí),對(duì)柱進(jìn)行保護(hù)而采用外包式柱腳。此外,屋外受雨淋的柱構(gòu)件或地面使用水的建筑的柱構(gòu)件進(jìn)行外包后可以期待其防銹作用。

2.外包式柱腳設(shè)計(jì)原則

(1)外包式柱腳的設(shè)計(jì),將軸力通過(guò)鋼柱腳部的底板傳給基礎(chǔ);彎矩和剪切力通過(guò)外包式構(gòu)件混凝土部分來(lái)傳遞。計(jì)算其最大彎矩承載力時(shí),可以將鋼柱腳部的負(fù)擔(dān)承載力加上去。

(2)外包式柱腳的高度,大于鋼柱截面高度的2.5倍,并且l/d>=1。這里l為從底板下側(cè)至外包式鋼筋混凝土的最上側(cè)箍筋為止的距離,d為從壓縮i壓縮邊線至鋼筋的重心距離。

(3)外包鋼筋混凝土縱向主筋的錨固長(zhǎng)度大于25d(d為異形鋼筋的公稱直徑),頂部需設(shè)彎鉤。外包鋼筋混凝土的主筋必須充分錨入基礎(chǔ)或者基礎(chǔ)梁內(nèi)。

(4)外包鋼筋混凝土部分,至少應(yīng)設(shè)置與一般鋼筋混凝土柱同等配置的剪切補(bǔ)強(qiáng)筋(箍筋)。其箍筋的直徑、間距及箍筋的配筋率的最小值根據(jù)《鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì),縱向主筋頂部至少配兩道箍筋,其間距30-50m m。

(5)底板下側(cè)位置為基礎(chǔ)梁的上側(cè)位置,底板及錨板按外露式柱腳設(shè)計(jì)。

(6)柱子若采用中空截面鋼管時(shí)應(yīng)注意確保鋼管壁不發(fā)生局部變形而進(jìn)行設(shè)計(jì)。

盡管,混凝土外包部分的柱外側(cè)焊接了栓釘,因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)中證實(shí)了其承載力和變形能力的上升很小,可以忽視其效果。

三、埋入式柱腳

1.特點(diǎn)

埋入式柱腳,和其他兩種柱腳形式相比固定度較高,承載力的確保比較容易如果將鋼柱設(shè)計(jì)成先行屈服,其恢復(fù)力特性呈現(xiàn)穩(wěn)定的完全彈塑性。其缺點(diǎn),是埋入式柱腳埋入基礎(chǔ)中的鋼柱長(zhǎng)度要增加,并且基礎(chǔ)梁的寬度內(nèi)的主筋不能與插入的鋼柱相交而擴(kuò)展或彎曲成斜筋等。另外,必須在基礎(chǔ)梁配筋之前先行設(shè)置鋼柱腳,所以鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的交貨日期也要提前。

2.設(shè)計(jì)原則

(1)埋入式柱腳的設(shè)計(jì),軸力是通過(guò)鋼柱腳部的底板傳遞給基礎(chǔ)混凝土的;彎矩和剪力是由埋入混凝土中的鋼柱與混凝土間的承壓來(lái)傳遞的。

(2)鋼柱埋入基礎(chǔ)混凝土中的深度宜為鋼柱截面高度的2.5倍以上。

(3)基礎(chǔ)中埋入鋼柱的周?chē)m當(dāng)配置加強(qiáng)鋼筋。特別是邊柱,應(yīng)確保外側(cè)的混凝土的保護(hù)層厚度,或者要注意配置適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)鋼筋。

一般情況下,外露式柱腳一般用于傳遞垂直荷載的鉸接柱腳;而對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)或一些大型工業(yè)廠房的柱腳宜采用外包式柱腳或埋入式柱腳。

鋼結(jié)構(gòu)柱腳的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)非常重要。一般中低層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的基礎(chǔ)都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),因此柱腳為兩種不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)連接部位,地震作用下,大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)柱腳的損壞多是由不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和施工引起的,因此我們要足夠重視。對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)和大跨鋼結(jié)構(gòu),一般宜選用埋入式柱腳。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中,要根據(jù)建筑物的類(lèi)型選擇合理的柱腳連接形式,做好構(gòu)造處理措施。

[1][日]日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)總攬[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]李和華.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1992.

[3]青木博.文鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入門(mén)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

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