插入式柱脚-2邱鹤年.pdf

18 百家论坛 Building Structure We learn we go 钢 结 构 工 程 案 例 分 析（三）邱鹤年/中冶京诚工程技术有限公司 14 箱形吊车梁的端部连接 某厂连铸车间建于 1996 年，与炼钢车间毗邻，共用 E轴的柱，在 E 轴柱侧设摇摆支座，支承连铸屋面，令连铸排架与炼钢排架水平力不相互影响，自成体系。连铸部分横向 3 跨，长 90m，纵向总长 218m，柱距 24m，在连铸机流水线处柱距则为 26m。连铸各跨行驶最大吊车 Q30t，平剖面见图 1。连铸车间采用压型板屋面、网架屋盖、箱形吊车梁、钢管柱，下阶管柱内填混凝土。梁柱连接见图 2。图 1 连铸车间平、剖面 图 2 梁柱节点示意 2002 年检查时发现 F，G 轴 36 轴线等处，吊车梁端部接头处的连接环板及钢管柱外壁被拉裂，高强螺栓脱落。厂方采用套管加固，据称未再出现问题。厂方要求设计院分析事故原因，提出改进措施。设计院进行了横向、纵向受力计算，均符合规范规定。后又按设计原构造情况进行有限元分析，将梁端上翼缘与柱以短杆连接，柱壁应力达 600N/mm2，如解除约束，则应力大为降低。梁柱节点高强螺栓脱落，连接环板及管壁拉裂，说明有强大的纵向力。山墙风荷载、吊车纵向刹车力均不致产生如此严重后果。考虑热车间温度区段180m的规定，现为218m，仅略有超出；钢坯堆存引起地基下沉亦未见明确论据。主因最为可能的是箱形吊车梁及其与柱连接节点过于刚劲，开裂柱区是吊车运输最为繁重的区域，按前钢结构设计规范（GBJ1788），重级吊车梁挠跨比为 l/750，故梁端突缘支座倾斜可达?/3756mm，这是梁柱节点无法承受的，从而损坏了高强螺栓，拉裂了环板和管柱壁，再加之钢坯传热影响和堆载、施工、柱间支撑处梁柱传力不完善等因素，更加促成了问题的严重性。处理措施主要是放松节点，将梁端连接板分块；减少、减弱螺栓；减薄板厚；在环板下增设竖向加劲；梁端加设斜杆支撑，既能传递横向制动力又不过多限制端加劲的倾侧；必要时在上柱底用套管加固，套管与管柱间填充粘结材料；在吊车梁受辐射热影响严重处增设隔热板等。这些措施都属备用措施，如原结构不再出现问题，就不必施行。如需施行，可选一、二处试点，有成效后再推广。15 插入式柱脚 钢结构设计规范（GB50017-2003）新增列了有关插入式柱脚、埋入式柱脚和外包式柱脚的少量条文，对插入基础杯口最小深度进行了规定，但没有提及计算规定和算法，如果认为仅按最小深度确定就能满足要求进行设计，当部分钢柱轴力、弯矩较大时，可能造成强度计算不足而引发安全事故。前北京钢铁设计研究总院曾对插入式柱脚进行过试验研究，提出了系列计算和构造规定，受力计算才是确定插入深度的基本条件，现简要介绍如下。15.1 柱脚插入深度计算 15.1.1 工形柱 轴力由柱外表面与混凝土之间的粘剪力传递，而柱底弯矩则由埋入基础内柱翼缘板与混凝土基础杯口壁之间承压传递：19 Building Structure 百家论坛 We learn we go tin/SfNd （1）ccin95.0/3fbMd （2）式中：N为钢柱底端轴向力设计值；M为钢柱底端弯矩设计值；ft为混凝土粘剪强度设计值，按混凝土抗拉强度设计值取用；fc为混凝土抗压强度设计值；S为钢柱横截面周长；bc为钢柱翼缘板的宽度；din为钢柱埋入基础内的长度。当考虑钢柱底端的受压作用时，可将式（1）中的N用N1代替：N1=N2.85fcAc （3）式中Ac为钢柱横截面面积。当钢柱底端剪力较大时，若考虑柱底弯矩和剪力的共同作用，则式（2）可改为：in2incc295.03QddbfM （4）式中Q为钢柱底剪力设计值。15.1.2箱形柱或圆管柱 cin/SfNd，ccin95.0/6fbMd，6M0.95fcbcd2in4Qdin （5）15.1.3圆管柱 cin/SfNd，ccin95.0/6fdMd 6M0.95fcdcd2in4Qdin （6）15.1.4双肢格构式柱 1）受压柱肢 轴向压力假定仅由柱肢底板下混凝土局部受压承受，不计粘剪传力：llAfNcc95.0 （7）式中：Nc为受压柱肢轴向力设计值；l为局部承压时混凝土强度提高系数，llAA/b=，按混凝土结构设计规范（GB50010-2002）第7.8.1及7.8.2条规定；Al为柱肢底板面积，即混凝土局部受压面积。如考虑粘剪传力：llAfSfdNctinc95.0 （8）2）受拉柱肢 按粘剪传力计算：dinN/Sft （9）15.2 有关插入式柱脚叙述问题 钢结构设计规范（GB500172003）初次涉及插入式柱脚，某些叙述不够严谨。1）钢结构规范表8.4.15，表头为实腹柱，插入深度却增加了“或1.5dc”，又指向了管柱；又如最小插入深度“0.5hc和1.5bc（或dc）的较大者”，dc是相当于bc还是1.5bc，无法区分。2）本条条文说明中，画出了双肢柱用单杯口，这仅在两肢极靠近时才采用，一般双肢柱都用双杯口，受力计算比较明确，也减小了大体积混凝土收缩影响。3）为便于运用，钢结构规范表8.4.15以下述形式表达更为恰当：钢柱插入杯口的最小深度 柱截面形式 工形柱或箱形柱 圆管柱 双肢柱（双杯口）最小插入深度 din 1.5hc 1.5dc 0.5hc和 1.5bc的较大值 注：1）hc为实腹工形柱或箱形柱的截面高度（长边尺寸）；dc为圆管柱外径；2）双肢柱的hc指两肢垂直于虚轴方向最外边间的距离，bc指沿虚轴方向各种形式的柱肢宽 图 3 插入式柱脚 图 4 柱脚及杯口 图 5 双敊柱基础杯口及柱横隔 20 百家论坛 Building Structure We learn we go 度；3）钢柱底端至基础杯口底的距离一般采用50mm，当有柱底板时可采用200mm。为保证二次浇灌层施工方便和密实，可采取相应构造措施。15.3 有关插入柱脚需要说明的问题 15.3.1 钢结构规范条文说明图29插入式柱脚建议采用图3所示形式。15.3.2 插入式柱脚构造措施 1）工形柱一般不设柱底板，直接埋入杯口内；箱形、管形柱当轴力较大时可设柱底板，底板尺寸大于柱截面，见图4（a）,（b）。2）双肢柱一般设置柱底板，底板厚由反力计算确定，可设必要的加劲肋。为了柱子的安装调整和板下二次浇灌层密实，板下空隙可为200mm，并在底板下焊垫件，同时在底板上留排气孔，见图4（c）。3）在双肢柱外露下部宜设置实腹式或桁架式横隔并考虑灌浆需要预留浇注孔，见图5。4）钢柱插入深度din除按计算和构造要求外，一般不小于500mm；另外，为了保证钢柱吊装时的稳定，din不宜小于吊装时钢柱长度的1/20。5）基础短柱配筋、杯口的计算和构造要求，还应符合混凝土结构设计要求。16 施工措施是设计的重要补充 钢结构设计是按整体系统，根据结构形式、组成和荷载的不同情况，设置可靠支撑体系，以保证结构的稳定和安全。在施工、制作、运输、安装阶段，结构构件常以平面的单体出现或以不完整的体系就位，必须采取临时措施来维护结构在条件不足时的稳定和安全。1）设计文件应说明设计图纸是按结构处于完整体系条件下来考虑各种受力状态的，对施工阶段的制作、堆存、运输、吊装、定位、校正等过程的结构稳定问题，需由施工组织设计采取临时措施来补充保证。2）上世纪大跃进年代，某矿山机械厂装配车间采用通用图21m跨度梯形钢筋混凝土屋架叠放施工，吊装时未采取相关措施，单片屋架像鱼一样摇头摆尾，后采用杉木捆绑加固法，终于吊装成功。同一时期，某会堂采用60m钢屋架，也曾试用捆绑加固等办法，结果都不成功。后仿效吊车梁制动桁架办法，加设了一套安装用钢结构支撑桁架系统，可多次使用，及时完成了任务，保证了工期。3）某大型厚板轧制车间冷床区柱距57.5m，经多次论证，跨度57.5m的吊车梁以在工厂整体制作、现场整体吊装的方案最为经济、方便、合理。但此方案在几个路口转弯成了关键问题，经市政有关管理部门同意，在路口伐树移（电）杆，顺利到达现场。上世纪70年代建的某大型厚板轧制车间，其主轧机架俗称牌坊，体型巨大，重200t以上，要从西南大三线基地经数千公里运来内地，沿途钻隧道、穿大桥、过多所关隘，为保万一，特制一低货位列车，用同尺寸模型试运，成功后才正式启动，顺利到达。4）有一些工程在施工阶段，结构尚未形成体系，施工临时措施又不到位，遇有突发情况（如狂风等），甚至没有任何变故，就发生了成片倒塌事故，尤以门式刚架轻型结构为多，究其原因，主要是施工临时措施不到位，结构失稳所造成的。以上案例都说明了施工组织设计的重要性。采取认真的、科学的、系统的施工措施就能保证施工阶段的结构安全，反之就会酿成事故。（上接 13 页）沿梁全长设箍筋加密区。9）当托柱梁为非框架梁，所托柱（梁上柱）为非框架柱时，在梁上柱所在的各个结构平面图上，在垂直于托柱梁轴线方向上亦应增设楼面次梁。抗震设计时，梁上柱传给托柱梁的内力宜乘以1.15的增大系数。图 3 托柱梁主筋和腰筋的锚固 注：非抗震设计时图中 laE应取为 la 卢浦大桥获国际“杰出结构大奖”第94届国际桥梁与结构工程协会(IABCE)2008年杰出结构大奖评选最近揭晓，中国上海卢浦大桥和丹麦哥本哈根歌剧院2 项工程获此殊荣。上海卢浦大桥工程由上海市政工程设计院等设计，上海建工集团承担施工总承包，于 2000 年 10 月开工兴建，2003 年 6 月建成通车。卢浦大桥主桥长 750m，主跨 550m，两边跨各 100m，拱高100m，主桥面宽 39m，双向 6 车道，通航净高 46m，净宽 340m，堪称世界第一钢结构拱桥。同时，卢浦大桥还是目前世界上首座采用除合龙段上采用栓接外，完全采用焊接工艺连接的一跨过江的特大型拱桥，现场焊接焊缝总长度达 4 万多 m。此外，卢浦大桥主桥建造中采用斜拉桥、拱桥、悬索桥三种不同类型 21 Building Structure 百家论坛 We learn we go 桥梁施工工艺于一身，是目前世界上单座桥梁建造中采用施工工艺最多也最复杂的特大型桥梁。