《钢结构与钢-混凝土组合结...法》的理解与应用——钢柱脚_周佳.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LZ2204中国建筑西南设计研究院有限公司重点课题(R-2021-08-S-A-2023),浙江省建设科研项目(2021K091)。第第一一作作者者:周佳,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师,主要从事钢结构、组合结构和复杂结构的设计研究,Email:83294306 。钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法的理解与应用 钢柱脚周 佳1,童根树2,李常虹1,刘宜丰1,费少沣1,王铭意1(1 中国建筑西南设计研究院有限公司,成都 610041;2 浙江大学高性能结构研究所,杭州 310058)摘要:根据钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法,详细介绍了钢柱脚的轴力传力机制以及外包式钢柱脚的弯矩传力机制。对于外包式钢柱脚,指出规范关于外包混凝土最小高度要求的实质,提出了钢柱传递至外包混凝土的轴力、界面抗剪、外包混凝土的抗冲切等计算公式,并对高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 992015)关于外包式钢柱脚极限受剪承载力的计算公式提出了改进建议。现行规范关于钢柱下混凝土的局部受压计算,偏不安全,提出了基于壁板以及钢柱整体的混凝土局部受压计算方法。关键词:钢柱脚;传力机制;外包高度;界面抗剪;局部受压 中图分类号:TU391 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0148-04引用本文 周佳,童根树,李常虹,等.钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法的理解与应用 钢柱脚J.建筑结构,2023,53(5):148-151,126.ZHOU Jia,TONG Genshu,LI Changhong,et al.Understanding and application of Design method for steel structures and steel-concrete combined structures steel column base J.Building Structure,2023,53(5):148-151,126.Understanding and application of Design method for steel structures and steel-concrete combined structures steel column base ZHOU Jia1,TONG Genshu2,LI Changhong1,LIU Yifeng1,FEI Shaofeng1,WANG Mingyi1(1 China Southwest Architectural Design&Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610041,China;2 Institute of High-Performace Structures,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)Abstract:According to Design method for steel structures and steel-concrete combined structures,the axial force transmission mechanism of the steel column base and the bending momentum transmission mechanism of the outsourced steel column base were introduced in detail.For the outsourced steel column base,the essence of the minimum height requirements of outsourced concrete was pointed out,and the computing formulas such as the axial force transmitted from steel column to outsourced concrete,interface shear resistance and punching resistance of outsourced concrete were proposed.Some suggestions were put forward to improve the calculation formula of ultimate shear capacity of outsourced steel column base in Technical specification for steel structures of high rise civil buildings(JGJ 992015).The current specification on the local compression calculation of concrete under steel columns is not very safe,the calculation methods for local compression of concrete based on panel and steel column as a whole was proposed.Keywords:steel column base;force transfer mechanism;outsourced height;interfacial shear resistance;local compression 0引言 文献1-3对外包式钢柱脚进行了低周往复荷载试验和有限元模拟,研究了外包混凝土构造及高度对柱脚滞回性能的影响。既有试验表明,外包式钢柱脚存在图 1 所示的 5 种破坏模式。图 1(a)所示的钢柱弯曲、图 1(b)所示的混凝土受弯是期望的极限破坏模式,钢结构设计标准(GB 500172017)4(简称钢标)和高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 992015)5(简称高钢规)对钢柱脚的受弯计算进行了详细规定。为避免产生图1(d)所示的受剪破坏,高钢规也进行了详细规定。关于图 1(c)的冲切破坏、图 1(e)的界面受剪破坏,规范尚未做出明确规定。钢柱的腹板、翼缘承担的应力符合平截面假定,压弯作用下,应力分布并不均匀,需对钢柱各块壁板下的混凝土局部受压问题进行计算。但钢第 53 卷 第 5 期 周 佳,等.钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法的理解与应用 钢柱脚图 1 外包式钢柱脚的破坏模式标、高钢规与钢结构连接节点设计手册6在进行混凝土局部受压计算时均采用底板的全面积,并未对单块壁板下的混凝土局部受压计算进行规定,使得混凝土的局部受压计算偏不安全。进行钢柱脚的底板冲切计算、底板混凝土局部受压计算以及钢柱脚的栓钉计算时,均涉及到钢柱四周混凝土承担的压力大小问题,因此需研究清楚钢柱脚中的轴力传力机制。本文根据钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法7,详细阐述钢柱脚中的轴力、弯矩传力机制,并对上述问题提出设计方法和相应的计算公式。1钢柱脚的受压分析 外包式钢柱脚顶部,轴力 N 由钢柱承担。在外包式钢柱脚内部,通过设置于钢柱表面的栓钉、钢柱与外包混凝土的摩擦力,轴力 N 会部分转移至外包混凝土。假定栓钉抗剪刚度为 0,并且忽略钢柱与混凝土之间的摩擦力,则外包混凝土不会分担轴力。显然,外包混凝土承担的轴力大小与栓钉的总抗剪刚度、栓钉和混凝土之间的摩擦系数有关。文献8,采用图 2 所示的隔离体进行轴力的传力机制分析。根据内力平衡和变形协调,可得式(1a)(1f)。Ns=EsAsu1(以受压为正)(1a)Nc=EcAcu2(以受压为正)(1b)Ns+Nc=N(1c)qu=ksts=Ns=-Nc(1d)kst=1.4nNsvhr(1e)s=u1-u2(1f)式中:Ns、Nc分别为钢柱和外包混凝土承担的轴力;EsAs、EcAc分别为钢柱和外包混凝土的轴压刚度;u1、u2分别为钢柱和外包混凝土的压缩变形;s 为钢柱和外包混凝土之间的竖向位移差;qu为单位高度的界面竖向剪力;kst为单位高度的界面抗剪刚度;n为栓钉总数;Nsv为单个栓钉的受剪承载力设计值;hr为外包混凝土的高度。边界条件是,钢柱脚底部 s=0,钢柱脚顶部Nc=0,求得在钢柱脚底部,外包混凝土承受的轴力为:Nc=EcAcEcAc+EsAsN(2a)=1-1cosh(hrkstEsA0)(2b)根据式(2a)可知,在钢柱脚底部,外包混凝土承担的轴力需在轴压刚度分配的基础上乘以折减系数 。同时应确保,外包混凝土承担的轴力 Nc不超过外包混凝土的受压承载力。埋入式钢柱脚的轴力传递与外包式钢柱脚没有本质的区别,只是参与传力的混凝土面积有所增加。采用式(2a)计算钢管混凝土柱的外包混凝土承担的轴力时,式(2a)中 As采用 As+Acc/E代替,其中,Acc为钢管内混凝土截面面积,E为钢管与钢管内混凝土的弹性模量之比。文献8采用式(2a),对 4 个外包式钢柱脚进行计算,发现传递至外包混凝土的轴力一般为钢柱总轴力的 20%30%。图 2 外包式钢柱脚的轴力传递2外包式钢柱脚的受弯分析2.1 弯矩、剪力传力机制 文献7基于图 3,分析了外包式钢柱脚的弯矩和剪力传力机制。图 3 中,Q 为作用于柱反弯点的剪力;M0为钢柱脚顶部的弯矩;Mbase为钢柱脚底部941建 筑 结 构2023 年的总弯矩;Ms,base、Mc,base分别为钢柱脚底部的钢柱和外包混凝土承担的弯矩;Qs、Qc分别为钢柱和外包混凝土承担的剪力;H 为反弯点与钢柱脚底部的距离。图 3 外包式钢柱脚的弯矩和剪力传递考虑到外包混凝土的抗剪强度比较低,图 2(b)所示的弯矩、剪力传递模式是设计人员所希望的,即 Qc Q。根据图 2(b),近似假设钢柱承担的弯矩为线性变化,则外包混凝土承担的剪力 Qc可按式(3b)计算。为确保 Qc M0(3c)2.2 外包混凝土的最小高度 外包混凝土与钢柱之间存在复杂的相互作用,忽略相对次要的因素,图 4 示意出外包混凝土与钢柱间的主要作用,即单位高度的界面竖向剪力 qu以及外包混凝土顶部和底部的水平力 R1、R2。文献7对于钢柱与外包混凝土之间的相互作用、弯矩传递进行了精确分析,提出外包混凝土的高度 hr满足式(4),即 可 确 保 外 包 混 凝 土 承 担 的 剪 力Qc 1.2(1-hshtc)H(4)式中:hs为钢柱截面高度;htc为外包混凝土的受拉图 4 钢柱与外包混凝土的相互作用纵筋与受压区合力的距离,详见图 3(a)。如钢柱截面高度 hs取为 800mm,htc取 为1 100mm,H 取为 2/3 层高,即 H=2/3 3 900=2 600mm,根据式(4)计算的 hr为851mm,小于2hs。关于外包混凝土的最小高度,钢标要求不小于 H 钢柱截面高度的 22.5 倍(依据截面类型确定),高钢规要求不小于钢柱截面高度的 2.5 倍。在常规钢柱截面和层高下,根据式(4)计算的 hr小于钢标、高钢规关于外包混凝土最小高度的规定。可见,钢标、高钢规关于外包混凝土最小高度的规定,是为了确保外包混凝土承担的剪力 Qc Q,从而使得外包混凝土和钢柱共同抵抗水平力。2.3 界面抗剪 图 2 中钢柱的受压,图 4 中钢柱的受弯,均需通过界面竖向剪力 qu实现钢柱与外包混凝土共同工作。栓钉的抗剪能力是保证 qu实现的关键,可根据式(5)进行栓钉的纵向抗剪计算。Asgfy,sg+14Nc=Asgfy,sg+116N nfNsv(5)式中:Asg是外包混凝土中单侧纵筋的面积;fy,sg为纵筋的屈服强度;Nc为钢柱脚底部外包混凝土承担的轴力;N 为钢柱轴力;nf为钢柱单侧表面布置的栓钉数;Nsv为单个栓钉的受剪