外包柱脚塑性抗弯承载力计算分析.pdf

（），外包柱脚塑性抗弯承载力计算分析孙学水关超张卫东（浙江杭萧钢构股份有限公司，杭州 ；广东杭萧钢构有限公司，广东珠海 ）摘要：建筑抗震设计规范 未对矩形钢管混凝土柱外包式柱脚的抗震设计方法进行明确说明，但最新实施的 建筑抗震设计规范 明确规定了这种柱脚与基础连接的极限承载力的计算方法。结合工程实例，对外包式柱脚依据新旧抗震规范的计算方法进行对比分析，同时对这种柱脚节点的抗震设计方法进行探讨。关键词：矩形钢管混凝土柱；外包柱脚；抗震设计；极限抗弯承载力；塑性抗弯承载力 （，；，）：（），（），：；第一作者：孙学水，男，年出生，工学学士，工程师。：收稿日期：外包柱脚在多高层钢结构及钢混组合结构中较为常见，在结构设计中有着广泛的应用。外包柱脚在结构设计中主要分为弹性设计和抗震设计。鉴于之前的国内规范对于抗震要求不明确，在新旧规范更新之际，对于外包柱脚的抗震设计，根据 建筑抗震设计规范（以下简称“旧抗规”）和 建筑抗震设计规范（以下简称“新抗规”）的要求，对比新旧抗规下的计算分析，并结合工程实例做进一步探讨，从而得出结论及建议。研究概况 外包柱脚形式简介外包柱脚目前主要有种形式：）柱子直接落在筏板基础上，此种连接形式施工方便，但对于筏板厚度要求严格，设计时应注意筏板抗冲切验算；）柱子落在基础反梁上，此种节点对于筏板的冲切相对有利；）柱子直接落在承台上，此种节点由于涉及到基础梁或筏板的钢筋穿过钢柱问题，施工比较繁琐，但对筏板厚度要求较低。种形式具体如图所示。规范规定目前对于外包柱脚的抗震计算研究并不多见，文献 涉及了相关外包柱脚的研究内容，其设计方法主要参照 高层民用建筑钢结构技术规程（以下简称“高钢规”）中的相关方法，但对于抗震设计时，“高钢规”以及“旧抗规”均未作明确规定，年出版并实施的“新抗规”做出了相关规定。外包柱脚抗震计算的适用范围及计算内容根据新旧抗规规定，抗震设防烈度为度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。因此进行抗震设计的建筑，如结构上采用外包柱脚，则必须按照相关规范进行抗震验算。但考虑到建筑本身有多种结孙学水，等：外包柱脚塑性抗弯承载力计算分析钢结构 年第期第 卷总第 期 落在筏板上的外包柱脚；落在反梁上的外包柱脚；落在承台上的外包柱脚图外包柱脚的三种形式构形式，每种结构形式的受力特点不尽相同，根据工程实例，建议以下种形式可不按新旧抗规规范验算塑性承载力：第一，对于高层结构，其结构有两层或两层以上的地下室时，抗倾覆力矩大部分可由首层楼板和负一层楼板组成的力矩承受；第二，对于多层结构，其结构有一层或一层以上的地下室时，抗倾覆力矩大部分也可由首层楼板和负一层楼板组成的力矩承受；第三，当高层结构地下室不少于两层或多层结构地下室不少于一层，且结构地下室顶板作为嵌固端时，要求强梁弱柱。柱脚与基础连接的抗震验算为极限承载力验算，应包含极限抗弯与抗剪承载力。对于极限抗剪承载力目前的规范均无提及，但柱脚抗剪承载力是十分重要的，在任何情况下柱脚的抗剪极限承载力验算都应予以重视。新旧抗规要求对比 旧抗规要求 年前后出版的一系列规范基本未对柱脚抗震计算进行详细的说明，只有“旧抗规”有关单层工业厂房的章节中第 条有如下规定：“柱脚应采取保证能传递柱身承载力的插入式或埋入式柱脚。设防烈度为、度时亦可采用外露式刚性柱脚，但柱脚螺栓的组合弯矩设计值应乘以增大系数 ”。而采用外包柱脚的抗震设计中，柱脚连接的极限受弯承载力验算，在“高钢规”和“旧抗规”中均未作规定，但从抗震设计的理念上，并参考梁柱设计节点，一般外包柱脚的最大受弯承载力 应满足：（）式中：为考虑轴力影响时钢管混凝土柱柱身的全塑性受弯承载能力；为外包混凝土受拉主筋屈服时的受弯承载能力。由上可知，不论是规范直接阐述还是从抗震设计理念设计，也不论柱脚形式如何，弯矩增大系数取 是一致的，但“旧抗规”规定的是在弯矩设计值基础上乘以增大系数，而对于外包柱脚普遍采用的是全塑性受弯承载力乘以增大系数。新抗规要求 年出版的“新抗规”中明确规定柱脚与基础的连接极限承载力，其中第章“单层工业厂房”相对“旧抗规”做了修正，第 第点规定：当采用外露式柱脚时，柱脚承载力不宜小于柱截面塑性屈服承载力的 倍，由原来的“设计值”改为“屈服承载力”。而第章多层与高层钢结构房屋中，第 条第点中规定：柱脚与基础的连接极限承载力应按式（）验算，即：，（）式中：为考虑轴力影响时柱的塑性受弯承载力；，为柱脚的极限受弯承载力；为连接系数，“新抗规”规定外包柱脚 。钢筋混凝土的塑性及极限承载力的计算根据文献，外包混凝土受拉主筋屈服时的受弯承载能力为：（）（）式中：为受拉一侧竖向钢筋（主筋）截面面积；为科研开发 （），普通钢筋屈服强度标准值。混凝土结构设计规范中新增了普通钢筋极限强度标准值 ，对外包柱脚而言，应当验算的截面是柱脚底板下表面的截面，这个位置是纯混凝土截面，采用此截面的极限受弯承载力与钢柱的屈服承载力比较。假设受拉主筋可以达到极限抗拉强度，此时理论上混凝土应该被压溃了。这时如果在对称配筋的情况下，可以按式（）来计算混凝土截面的极限受弯承载力：（）式中：为拉、压钢筋合力点间的距离。因为计算截面附近的混凝土虽被压溃但并未完全脱落且压溃范围的高度不大，所以钢筋失稳的可能性不大，理论上计算外包混凝土受拉主筋屈服时的受弯承载能力可按式（）计算，但是否可广泛应用还有待实际工程验证。矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱的塑性承载力计算方法 矩形钢管柱塑性承载力计算方法根据 钢结构设计规范第 条，工字型钢柱在压弯作用下的塑性承载力计算方法如下：（）（）（）式中：为对轴的塑性净截面模量；为净截面面积。在此需要特别强调的是，式（）和式（）中使用的为钢材抗弯强度的设计值，而未使用钢材的屈服强度。根据文献 的相关内容，承受静力荷载作用的实腹式拉弯和压弯构件在轴力和弯矩的共同作用下，受力不利的截面出现塑性铰时即达到构件的强度极限状态，其和的相关关系式为式（），其曲线为如图所示的抛物线。（）（）当轴力较小时，塑性中和轴在腹板内，和的相关公式为式（）：（）（）（）当轴力较大时，塑性中和轴在翼缘内，和的相关公式为式（）：（）（）式中：为截面腹板与翼缘的比值；和分别为矩形截面；，（）；图压弯构件截面出现塑性铰时的和相关曲线内外力平衡时的轴心力和弯矩；和分别为截面屈服轴力和塑性屈服弯矩。式（）和式（）是按工字型截面翼缘和腹板的比值 取 计算得到的。由图可知，翼缘与腹板的比值越大则曲线越突出。当截面为方管时，即 ，则式（）和式（）应调整为式（）和式（）：（）（）（）根据式（）、式（）和式（）、式（）计算的结果相差不大，故不论柱截面为工字形还是矩形，统一按照文献 规定的式（）和式（）计算是合理的。矩形钢管混凝土柱塑性承载力计算方法但当结构较高，采用钢管混凝土柱时，由于轴压比较大，且混凝土承担了部分轴力，上述公式不再适用，但目前“高钢规”和“新抗规”均未提及计算公式，现主要采用如下方法计算。根据规程 矩形钢管混凝土结构技术规程 中计算强柱弱梁时的公式 （式（）：（）（）（）式中：为按多遇地震作用组合的柱轴力设计值；为矩形钢管混凝土轴心受压时，截面受压承载力的标准值；为框架柱的全塑性受弯承载力标准值；为考虑柱具有一定延性的混凝土工作承担孙学水，等：外包柱脚塑性抗弯承载力计算分析钢结构 年第期第 卷总第 期系数。矩形钢管混凝土柱柱脚塑性抗弯承载力按式（）计算：（）（）式中：为有多遇地震参与的组合工况下的最小轴力设计值。另外，虽然外包柱脚钢管混凝土柱的锚栓一般仅作构件定位使用，但在计算中也可以考虑锚栓的作用。工程实例计算结果分析 矩形钢管柱外包柱脚工程实例某多层钢结构建筑，柱子为矩形钢管柱，截面为 ，模型中读取到最大轴力设计值为 ，钢柱柱脚按“高钢规”最小外包 厚混凝土，根据式（）和式（）计算得到：。由式（）可得：，。则按式（）计算钢柱柱脚单侧需配根（）的纵向钢筋可满足要求。具体示意详见图。矩形钢管混凝土柱外包柱脚工程实例某高层钢结构住宅，柱子为矩形钢管混凝土柱，截面为 ，模型中最大轴力设计值为 ，最小轴力设计值为 ，轴压比 ，钢柱柱脚外包 厚混凝土，根据式（）计算得到：。根 据 式（）计 算 得 到：，。如按式（）计算则钢柱柱脚单侧需配 根（）的纵向钢筋才可满足要求，根据文献第 第条规定：柱中纵向钢筋的净距不应小于，且不宜大于 ，钢柱外包混凝土厚需做到 ，根纵向钢筋理论上刚好可以排下，具体示意详见图。如按式（）计算，则钢柱柱脚单侧需配根（）的纵向钢筋即可满足要求，详见图。图柱脚配筋示意结论及建议在“新旧抗规”体系下，本文给出了矩形钢管柱及矩形钢管混凝土柱外包柱脚节点塑性抗弯承载力的计算分析过程，并结合工程应用给出了相应的实例，可供有关工程设计时参考。另如果计算得出的纵筋在混凝土范围内排布困难，可将柱脚设计成埋入式柱脚，以满足相关规范要求。参考文献 建筑抗震设计规范 建筑抗震设计规范徐永基，吕旭东，张又一，等钢管混凝土柱外包式柱脚抗震设计方法探讨建筑结构，（）：王毅，陈以一，王伟，等钢管混凝土外包式柱脚抗弯性能试验研究建筑结构，（）：刘大海，杨翠如 高楼钢结构设计（钢结构、钢混凝土混合结构）北京：中国建筑工业出版社，童根树钢结构设计方法北京：中国建筑工业出版社，高层民用建筑钢结构技术规程 混凝土结构设计规范 钢结构设计规范 陈绍蕃，顾强钢结构（上册）北京：中国建筑工业出版社，矩形钢管混凝土结构技术规程科研开发