埋入式型钢混凝土柱脚计算.pdf

2 0 0 6 年 3 月 第 3卷 第 1 期 深圳土木与建筑 V O L 3 N o 1 M A R 2 0 0 6 埋入式型钢混凝土柱脚计算 水 刘 维 亚 ( 深圳 华森 建筑 与工 程设 计顾 问有 限 公司 ) 【 摘要】 ： 在型钢混凝土结构设计 中，往往按照有关规程将型钢埋入混凝土 内三倍型钢 高度，当基础 ( 基础 梁或承台 )没有足够高度埋置型钢时，应如何设计和计算则是广大设计人 员关心的问题。本文 根据型钢混凝土柱脚的力学特点及传力机制，着重介绍了埋入式柱脚的若干计算要点，如柱脚埋置 深度的计算、柱底内力的计算及其相关验算等，这些计算是型钢混凝土组合结构设计的重要组成部 分 。 【 关键词】 ： 型钢混凝土柱脚埋入式柱脚埋置深度柱底内力混凝土强度验算 1概述 在进行型钢混凝土结构设计时，柱脚的设计是 该设计重要部分。型钢混凝土柱的柱脚分为非埋入式 柱脚和埋入式柱脚 。采用地脚螺栓将钢板锚固在基础 或基础梁顶，称为非埋入式柱脚 ( 如图1 所示) 。将柱 型钢伸入基础内部，称为埋入式柱脚 ( 如图2所示 ) 。 两种柱脚的选择要根据柱下结构情况或基础形式、柱 底 内力大小、抗震设防标准等因素确定。震害调查结 果表明，非埋入式柱脚，特别是在地面以上的非埋入 式柱脚易产生破坏 。所以，对有抗震设防的结构，宜 优先采用埋入式柱脚；以下将主要讨论埋入式柱脚的 力学特性及其计算。 1 jt ： l 产r 一1 P I l 图 1非埋入式柱脚 J L 一 r 图 2 埋入式柱脚 刘维亚， 男， 深圳华森建筑与工程设讦顽丽限公司， 总工 地址 ： 深圳市南 山区滨海之窗办 公楼 六层 邮编 ： 5 1 8 0 4 6 本文获深圳市科学技术协会 2 0 0 5年年会优秀奖论文 3 0 2埋入式柱脚的力学特性和传力机制 2 1力学特性 对于埋入式柱脚 ， 由于型钢侧面与混凝土之间存 在支承反力，如果埋深足够，就能充分发挥型钢的抗 弯能力，可以认为柱脚的受弯承载力与型钢混凝土柱 相同。图 3 为边柱柱脚 的滞回曲线 。从图中可知 ，埋 入式柱脚的具有较高的承载力和耗能能力 。 2 2传力机制 对于埋入式柱脚除基础底板和地脚螺栓的抗弯作 用外，可考虑由型钢外面混凝土的支承压力参与抗弯 作用，因此埋入部分的外包混凝土必须达到一定的厚 度。当柱型钢埋深较大时，柱剪力将转化为对型钢侧 面混凝土的压力几乎不可能传至柱脚底板 的位置。当 柱脚埋深较浅，单靠支承反力不能平衡剪力和弯矩 时，应在确定其受弯承载力的同时验算其受剪承载 力 。 尸( t ) V 2 0 4 o I 5 0 ： 一2 0 图3 埋入式型钢混凝土边柱柱脚的滞回曲线 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年 3月 第 3卷 第 1 期 深圳土木与建筑 V O L 3 N o 1 M A R 2 0 0 6 3埋入式柱脚的计算要点 3 1柱脚的埋置深度的确定 埋入式柱脚的受弯承载力主要靠型钢侧面的局部 压力 。从此可求得 柱脚埋置深 度 ： 式中：b 埋入式柱脚有效宽度 ；由型钢 的形式 及其承压方 向确 定，一般按表 1的规定采用。 型钢柱埋入部分的有效宽度 b 。 表 1 型 钢 截 面 册 I 4 中 形 式 及 承 lI 压 方 向 b 。 f +2 ，； 2 f +2 ， 3 f + ， t 一一 腹板厚度 ； ， 腹板外表面至腹板弧端距离 ； h 一一柱脚埋 入深度 ； 一一 型钢的弯矩 ( 。 = ) ， 为 对 X轴 的净截面塑性抵抗矩； 7 c 混凝土轴心抗压强度设计值 局部受压计算底面积，按 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 第 7 8 2条确定。 ， 一一 混凝土局部受压面积 。 型钢混凝土柱脚型钢 ( 型钢芯柱) 在基础项 ， 2 M 面处所承受的剪力设计值 ， 。 ( H 为底 层柱 净高 ) 当型钢埋入深度大于或等于 时 ，柱脚的设计 可不必进行特别的验算 ，此时基础底板和地脚螺栓 可根据构造和施工要求设置 。当型钢埋入深度小于 厅 时，根据柱脚型钢 的埋深 ，分别进行 如下计 算 。 3 2 型钢混凝土柱底内力计算 按照前述柱脚传力机制，柱脚型钢受剪时，其 埋入基础部分 的侧面承压高度可按下列公式计算 ： f ， j = L b e B ( a)型钢埋置 较深 时 ( b)型钢埋置 较浅时 图 4埋入式柱脚的内力传递 式中：， 一一柱脚型钢侧 面的混凝土承压强度设计 值 ，取混凝土的局部抗压强度、试验得 出的混凝土 承压强度最大值和箍筋受拉屈服时所提供的承压应力 三 者 中的最 小值 ： 对于中柱 厂 籽边柱和触 一i n ， 一一 柱脚型钢 的截面宽度 ； ， 一一混凝土的抗压强度 设计值 ； ， 型钢混凝土柱埋入基础部分同一水 平截面内的箍筋截面面积和箍筋抗 拉强度 设计值 ； 广型钢混凝土柱埋入基础部分的箍筋竖向间 距 ： 当 时 ( 图 4 a) N8=N = 0 M =qM a ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ” 一 (7) 当 h v时 ( 图 4 b ) N B=N n = M =qM ( 8 ) ( 9 ) Q 0 ) 维普资讯 http:/ 2 0 0 6年 3月 第 3卷 第 1 期 深圳土木与建筑 V O L 3 N o 1 M A R 2 0 0 6 MB ： ； + 一 ! (1 D 式中：M 一一 柱脚型钢底板下的弯矩 设计值 ； J 柱脚 型钢底板下轴力设计值 ； 柱脚 型钢底板下剪力设计值 ； ： 底层柱下端截面组合的弯矩设计值； n 底层柱下端截面组合的弯矩设计值增大 系数，根据 建筑抗震设计规范( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 )6 2 3的规定：一、 二、三级框架结构的底层柱分别取 1 5、 1 2 5和 1 1 5。 、 为柱脚型钢 ( 型钢芯柱) 在基础顶面处所 承受的轴力、弯矩设计值 3 3 底板下混凝土强度验算 在上述公式所确定的型钢混凝土柱底轴力J 和 弯矩 的作用下 ，埋入式柱脚型钢底板下的混凝土 应满足下列 公式要求 i N日 N日 J， ( 1 2 ) M 日 M B ( 1 3 ) 式中， N肌、 M 肌型钢底板下混凝土部分的 承载力设计值。计算时取型钢底板的混凝土截面将 型钢底板的锚栓作为受拉钢筋，按钢筋混凝土截面计 算 其承 载力 。 3 4柱脚受剪承载 力 对于型钢埋置深度较浅 ( ， ) 的埋入式柱脚 ( 图 4 b) ，其型钢底板底面在水平剪力 作用下 ，应 满足 如下要 求 ： B 式中， U柱型钢底板下的摩擦系数，无地震作用 组合时，取 =0 4 ，有地震作用组合时，取 =0 3 。 3 5基础梁端部 混凝土强度验算 型钢混凝土柱埋入钢筋混凝土墙 内或基础内时， 除应按上述验算其受压 、受剪和受弯承载力外，还 应按下列方法验算墙或基础梁端部混凝土 的抗剪 。 3 2 图5基础梁端部混凝土的受剪面积 3 5 1 剪力设计值 根据图5 所示的型钢埋入部分对混凝土的侧压力 分布，柱脚 型钢作用于基础梁 ( 墙) 端部混凝土的剪 力 设计值 f ，可按 下列方法计 算。 当 l时( 图4 a ) r日 =0 5 b 。 B -t- ) ( 1 4 ) 当h 时 ( 图 4 b ) =0 5 b e ( 1 5 ) 式中，各符号的含义同前 。 3 5 2 混凝土受剪面积 型钢混凝土边柱所埋入的基础梁 ( 墙) ，其端部 混凝土的受剪面积 ( 图 5 )，可按下式计算： 。 ： f + 一 6 ， (1 6 ) 、 二 、 ， 型钢混凝土柱内型钢的截面高度和翼 缘宽度； 基础梁 ( 墙)的宽度 ； a 型钢表面至基础梁 ( 墙) 端部的距离。 3 5 3 端部混凝土抗剪验算 当型钢混凝土柱埋入基础梁 ( 墙) 的端部时， 为防 止基础梁 ( 墙) 端部混凝土在型钢埋入部分的侧压力作 用下发生剪切破坏，基础梁 ( 墙) 端部混凝土的抗剪 。 应满足 下式要 求 ： ， ( 1 7 ) f ， 型钢混凝土边柱埋入部分的型钢，作用 于基础梁 ( 墙) 端部混凝上的剪力设计 值 ，按 ( 1 4 )或 ( 1 5 )式 计算 ； 基础梁 ( 墙) 端部的混凝土受剪面积，按 公 式 ( 1 6 )计算 ； ， ， 基础梁 ( 墙) 端部混凝土的抗拉强度设计值。 4 结束语 柱脚计算是型钢混凝土组合结构设计中非常重要 的一部分，但 由于这方面的资料及有关试验不多，设 计时往往按照一些资料 中建议的构造要求进行设置， 上述计算要点无疑是对柱脚设计的一个补充；通过上 述计算，我们不仅更加清晰地了解柱脚受力特点，而 且能更准确地根据柱底受力情况确定型钢的埋置深 度、布置型钢柱底锚栓、设计柱脚混凝土截面及其配 筋，从而达到安全、节约的 目的。 维普资讯 http:/