戶外廣告牌與交通標志的f型單肢鋼管柱

戶外廣告牌與交通標志的f型單肢鋼管柱

雖然有許多關于柱腳的實驗和理論研究，但在國內(nèi)外許多規(guī)范中，對柱腳分析和計算的研究很少。實際中,工程師經(jīng)常將柱腳看成鉸接或剛性連接,而幾乎所有的柱腳均介于兩者之間,是半剛性連接。柱腳半剛性程度依賴于各元件力學特性和它們的組合(像底板、錨栓、混凝土等)以及所承受的載荷。各種各樣的非線性使問題非常復雜,所有非線性中最難預測的可能就是混凝土基礎的非線性,底板下壓應力分布表現(xiàn)為高度局部性,很難用傳統(tǒng)方法預測。在更精確的計算方法推廣之前,盡管傳統(tǒng)方法有時不夠精確或可能導致不夠經(jīng)濟的設計,但仍為工程師所采用。戶外交通標志與廣告牌鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用單肢鋼管柱。它們具有豎向荷載小,立面面積大的特點,因此,豎向靜力荷載、地震作用對廣告牌結(jié)構(gòu)影響均不大,在其結(jié)構(gòu)設計中起控制作用的是水平風荷載。對于實際中常見的F型柱結(jié)構(gòu)形式,柱腳受力為偏心受壓,偏心受剪,承受很大的雙軸彎矩和水平扭矩,底板與錨栓的設計計算與一般型鋼柱有所不同,本文對其進行了討論。1風壓力引起的載荷如圖1所示的圓形底板是廣告牌和交通標志常見的柱腳形式。F型柱承受的主要載荷如圖2所示,有軸向力N,廣告牌風壓力引起的水平力V,廣告牌與橫梁重力引起的彎矩My,廣告牌所受風壓力引起的彎矩Mx,廣告牌風壓力引起的扭矩Mt。彎矩合力為M,其大小為:中性軸所在平面方向為(圖3):2基礎混凝土壓應力分布各國研究成果和計算方法中采用的是不同的基礎混凝土壓應力分布曲線,有三角形分布、拋物線分布和矩形分布等。我國常見的混凝土壓應力計算方法有近似法與彈性比擬法。1類似法近似法計算簡圖如圖4。式中x——受拉區(qū)范圍;dp——底板直徑;T——錨栓所受拉力合力。2彈性模量法近似法算出的錨栓拉力偏大,當算出的錨栓直徑大于60mm時,宜采用彈性比擬法計算。假設基礎變形符合平面假定,由圖5得:式中E、Ec——鋼、混凝土的彈性模量;σt——錨栓拉應力;σc——混凝土基礎的最大邊緣壓應力。由豎向力之和∑Z=0,得:式中Ac——受拉區(qū)底板面積。由混凝土受壓區(qū)合力作用點的∑Mc=0,得:取σt=ft,聯(lián)立式(7)～式(9),即可求得hc,σc,T。3地面1地面直徑底板直徑dp按σmax≤fcc計算(fcc為基礎混凝土的抗壓強度設計值)。若按比擬法計算出的σc大于σmax時,則應加大底板尺寸。2受力分析及應力底板厚度t按上面計算出的應力圖形與底板被分隔成的不同區(qū)格計算出的彎矩來確定。不過基礎的分布壓應力可偏安全地取底板各區(qū)格的最大壓應力。底板厚度分兩種情況計算。a.受壓側(cè)式中Mmax——底板的最大彎矩。在圓管內(nèi)部的柱腳底板可按周邊為固接的圓板考慮,其最大彎矩Mmax為:式中d——鋼管外徑。在圓鋼管外部有加勁肋的部位,可按三面支撐的等效矩形板進行計算。為簡化計算且偏于安全,此等效矩形板的邊長可分別取為加勁肋寬及兩相鄰加勁肋間外邊緣的弧長:式中a1——自由邊,外弧長。b.受拉側(cè)式中Z——單個錨栓所受拉力;lai——從錨栓中心至底板支撐邊的距離;D——底板錨栓孔徑。4錨渣1受拉區(qū)主要錨栓至中性軸的距離較a將受拉區(qū)的錨栓均折算成最外端的錨栓,則折算個數(shù)為:式中a——最外端錨栓至中性軸的距離;ai——受拉區(qū)其他錨栓至中性軸的距離;(xi,yi)——錨栓i坐標。n也可根據(jù)圖3所示的中性軸位置θ和壓應力區(qū)長度hc計算,則單個錨栓所受拉力為:式中ft——錨栓抗拉承載力(=140MPa);Ac——錨栓截面有效面積。2柱腳的抗剪鍵鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定,錨栓不能參加抗剪,水平反力應由底板與混凝土間的摩擦力承受。一般設計手冊中按V≤F=μN驗算(N為柱軸力,μ為摩擦系數(shù),一般取μ=0.4)。當V>F時應在底板設置抗剪鍵。對于廣告牌和交通標志,柱軸力N往往較小,不能滿足柱腳抗剪驗算,這樣就必須設抗剪鍵。在摩擦力的計算中應考慮柱腳彎矩的有利影響。文獻研究顯示柱腳彎矩對其抗剪能力有很大提高。這是因為彎矩的存在,使柱腳一側(cè)錨栓受拉而另一側(cè)的底板反力相應增大。由于摩擦力與接觸面積大小無關,只與摩擦系數(shù)和壓力有關,而摩擦系數(shù)沒有改變,所以反力的增大,使柱腳的摩擦力相應增大。摩擦力應按下式計算:3壓應力合力至底板心功能距離的計算由底板壓應力合力產(chǎn)生摩擦力F,對底板圓心的力矩MFt=Fc,F按式(17)計算,c為圖4中所示壓應力合力至底板圓心距離。當MFt小于水平扭矩Mt時,則扭矩由錨栓承擔。4錨栓抗剪強度值的確定對于廣告牌和交通標志,風載荷是控制載荷,承受的水平力和水平扭矩大,僅靠摩擦力往往不能抵抗水平力和水平扭矩,應考慮錨栓參與抗剪。錨栓參與抗剪個數(shù)m與錨栓構(gòu)造有關,當墊板與柱底板在柱子安裝就位后滿焊焊接時,可考慮所有錨栓參與抗剪;當墊板與柱底板不焊接時,建議最多取兩個錨栓抗剪,并應驗算只有一個錨栓抗剪的情況。本文中錨栓的抗剪強度設計值按普通螺栓選取,等于130MPa,文獻對此進行了深入研究,并比較了各種取值方法,提出錨栓的抗剪強度設計值應取普通螺栓抗剪強度設計值的2/3。根據(jù)文獻,錨栓抗剪和摩擦力抗剪能否同時考慮,需要試驗研究。本文不考慮同時抗剪,當水平力超過摩擦力時,全部水平力由錨栓承擔;當摩擦力不能抵抗水平扭矩時,全部扭矩由錨栓承擔。a.按圓周布置的錨栓群只承受水平扭矩Mt作用時,每個錨栓承受由扭矩引起的剪力為:式中m——參與抗剪錨栓個數(shù);r——錨栓到底板圓心距離。b.按圓周布置的錨栓群同時受到剪力V和扭矩Mt的聯(lián)合作用,如圖6所示。在剪力V作用下可認為每個錨栓平均受力,則:每個錨栓承受由扭矩引起的剪力為:錨栓i受到的由Mt引起的剪力Nt在x,y方向的分力為:(xi,yi)為錨栓i的坐標,可得錨栓所受剪力合力為:錨栓截面有效面積按下式計算:式中fv——錨栓抗剪承載力,為130MPa。5錨栓抗剪驗算如圖1、圖2所示F型鋼管柱柱腳,承受載荷為N=12.5kN,V=8.94kN,My=15.35kN·m,Mx=64.35kN·m,Mt=29.49kN·m。1)由式(1)、式(2)計算得彎矩合力為Μ=√Μ2x+Μ2y=66.15M=M2x+M2y????????√=66.15kN·m,中性軸位置為θ=0.234。2)由σmax≤fcc計算得底板直徑dp=0.38m,取dp=0.525m。由式(10)計算得底板厚度t=0.017m,取t=0.02m。錨栓至底板圓心距離r=212.5mm。3)由式(3)～式(6)計算得σmax=4.71MPa,σmin=-4.4988MPa,x=259.25mm,c=173.92mm,y=386.42mm,錨栓拉力為T=1.66×105N。由式(14)計算受拉區(qū)其他錨栓至中性軸的距離:a1=rsin(π8-θ)=33.54a1=rsin(π8?θ)=33.54mm,a2=rsin(3π8-θ)=172.1a2=rsin(3π8?θ)=172.1mm,a3=rsin(5π8-θ)=209.84a3=rsin(5π8?θ)=209.84mm,a4=rsin(7π8-θ)=124.66a4=rsin(7π8?θ)=124.66mm。折算錨栓個數(shù)為n=1+33.54+172.1+124.66209.84≈2.6n=1+33.54+172.1+124.66209.84≈2.6,單個錨栓拉力為Ζ=Τn=63.68Z=Tn=63.68kN,Ac≥Ζft=63.68140=454.86mm2Ac≥Zft=63.68140=454.86mm2,選M30錨栓。4)底板與基礎摩擦力F=μR=0.4(N+T)=71228N>V=8.94kN,沒有水平滑移。摩擦力力矩MFt=Fc=1.2388×107N·mm<Mt=29.49kN·m,摩擦力不能抵抗水平扭矩,有扭轉(zhuǎn)滑移,錨栓參與抗剪。當墊板與柱底板不焊接時,一個錨栓抗剪,剪力為Νh(huán)=Μtr=138.8kΝ?Ac≥Νh(huán)fv=1?067.7mm2?Nh=Mtr=138.8kN?Ac≥Nhfv=1?067.7mm2?選M42錨栓;墊板與柱底板焊接時,8個錨栓抗剪,剪力為Νh(huán)=Μt8r=17?350Ν?Ac≥Νh(huán)fv=133.5mm2,按錨栓拉力選M30錨栓。6錨栓對板板設計結(jié)果的影響戶外F型單肢鋼管柱,風載荷是控制載荷,柱腳受力為偏心受壓,