鋼管柱腳計算手冊

圓形底板剛接柱腳壓彎節(jié)點技術手冊根據對柱腳的受力分析，鉸接柱腳僅傳遞垂直力和水平力；剛接柱腳包含外露式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳，除了傳遞垂直力和水平力外，還要傳遞彎矩。軟件重要針對圓形底板剛接柱腳壓彎節(jié)點，計算重要遵照《鋼構造連接節(jié)點設計手冊》（第二版）中的有關條文及規(guī)定，并對有關計算過程自行推導。設計注意事項剛性固定外露式柱腳重要由底板、加勁肋（加勁板）、錨栓及錨栓支承托座等構成，各部分的板件都應含有足夠的強度和剛度，并且互相間應有可靠的連接。為滿足柱腳的嵌固，提高其承載力和變形能力，柱腳底部（柱腳處）在形成塑性鉸之前，不允許錨栓和底板發(fā)生屈曲，也不允許基礎混凝土被壓壞。因此設計外露式柱腳時，應注意：（1）為提高柱腳底板的剛度和減小底板的厚度，應采用增設加勁肋和錨栓支承托座等補強方法；（2）設計錨栓時，應使錨栓在底板和柱構件的屈服之后。因此，規(guī)定設計上對錨栓應留有15%~20%的富裕量，軟件普通按20%考慮。（3）為提高柱腳的早期回轉剛度和抗滑移剛度，對錨栓應施加預拉力，預加拉力的大小宜控制在5~8kN/cm2的范疇，作為預加拉力的施工辦法，宜采用扭角法。（4）柱腳底板下部二次澆灌的細石混凝土或水泥砂漿，將予以柱腳早期剛度很大的影響，因此應灌以高強度微膨脹細石混凝土或高強度膨脹水泥砂漿。普通是采用強度等級為C40的細石混凝土或強度等級為M50的膨脹水泥砂漿。普通構造規(guī)定剛性固定露出式柱腳，普通均應設立加勁肋（加勁板），以加強柱腳的剛度；當荷載大、嵌固規(guī)定高時，尚須增設錨栓支承托座等補強方法。圓形柱腳底板的直徑和厚度應按下文規(guī)定擬定；同潮流應滿足構造上的規(guī)定。普通底板的厚度不應不大于柱子較厚板件的厚度，且不適宜不大于30mm。普通狀況下，圓形底板的長度和寬度先根據柱子的截面尺寸和錨栓設立的構造規(guī)定擬定；當荷載大，為減小底板下基礎的分布反力和底板的厚度，多采用補強做法，如增設加勁肋（加勁板）和錨栓支承托座等補強方法，以擴展底板的直徑。此時底板的尺寸擴展的外伸尺寸（相對于柱子截面的邊端距離），每側不適宜超出底板厚度的倍。當底板尺寸較大時，為在底板下二次澆灌混凝土或水泥砂漿，并確保能緊密充滿，應在底板上開設直徑80~105mm的排氣孔數個，具體位置可根據柱腳的構造來擬定。普通加勁肋（加勁板）的高度和厚度，應根據其承受底板下混凝土基礎的分布反力，按下文具體規(guī)定擬定。其高度普通不適宜不大于250mm，厚度不適宜不大于12mm，并應與柱子的板件厚度和底板厚度相協(xié)調。由于錨栓支承托座加勁肋或錨栓加勁肋時對稱地設立在柱周，錨栓支承托座加勁肋或錨栓加勁肋的高度和厚度，應取其承受底板下混凝土基礎的分布反力和錨栓拉力兩者中的較大者，按下文具體規(guī)定擬定。普通其高度不適宜不大于300mm，厚度不適宜不大于16mm，并應與柱子的板件厚度和底板厚度相協(xié)調。錨栓支承托座頂板和錨栓墊板的厚度，普通取底板厚度的0.5~0.7倍。錨栓支承托座加勁肋的上端與支承托座頂板的連接宜刨平頂緊。錨栓在柱腳端彎矩作用下承受拉力，同時作為安裝過程的固定之用。因此，其直徑和數目應按下文規(guī)定擬定。但無論如何，尚須按構造規(guī)定配備錨栓。錨栓的數目在垂直于彎矩作用平面的每側不應不大于2個，同潮流應與鋼柱的截面形式和大小，以及安裝規(guī)定相協(xié)調；其直徑普通可在30~76mm的范疇內采用，且不適宜不大于30mm。錨栓應設立錨板和錨梁，此時錨栓的錨固長度均不適宜不大于25d。具體長度可參考《鋼構造連接節(jié)點設計手冊》（第二版）中錨栓表進行選用。柱腳底板和錨栓支承托座頂板的錨栓孔徑，宜取錨栓直徑加5~10mm；錨栓墊板的錨栓孔徑，取錨栓直徑加2mm。在柱子安裝校正完畢后，應將錨栓墊板與底板或錨栓支承托座頂板相焊牢，焊腳尺寸不適宜不大于10mm；錨栓應采用雙螺母緊固，為避免螺母松動，螺母與錨栓墊板尚應進行點焊。為使錨栓能精確的錨固于設計位置，應采用剛強的固定架，以避免錨栓在澆灌混凝土過程中移位。加勁肋（加勁板）、錨栓支承加勁肋、錨栓支承托座加勁肋，以及錨栓支承托座頂板，與柱腳底板和柱子板件等均采用焊縫連接。其焊縫形式和焊腳尺寸普通可按構造規(guī)定擬定；當角焊縫的焊腳尺寸滿足時[]，可參考下表采用。細部設計計算柱腳底板的外徑，應根據設立的加勁肋等補強板件和錨栓的構造特點，按下列公式先行擬定，并應符合有關規(guī)定。參數闡明：為圓柱的截面直徑，；為底板直徑方向補強板件或錨栓支承托座板件的尺寸，可參考下文表格的數值擬定；為底板直徑方向的邊距，普通取mm；剛性固定露出式柱腳在柱腳端彎矩、軸心壓力和水平剪力共同作用下，應按下文所列公式和規(guī)定，分別計算底板下混凝土基礎的受壓應力、受拉側錨栓的總拉力或錨栓的總有效面積、水平抗剪承載力。當柱腳的水平抗剪承載力時，應在柱腳底板下設立抗剪件或在柱腳處增設抗剪插筋并局部澆灌細石混凝土。圓形底板半徑，受偏心的壓力作用，受拉錨栓面積定義為，錨栓近似認為距底板邊沿，受拉側錨栓的總拉力，底板下混凝土最大壓應力，混凝土受壓區(qū)長度。（一）底板出現(xiàn)受拉區(qū)，分布較大，僅一側錨栓出現(xiàn)拉力，另一側不產生拉力時：如上圖所示，通過0點彎矩平衡，，據此可列平衡方程。下面介紹平衡方程的具體列法，及各部分公式的算法含義。偏心壓力和錨栓總拉力對0點形成彎矩方向相似，可得：底板下混凝土壓應力形成對0點的彎矩方向與上式相反，運用積分辦法可求得：整頓后即得：積分公式中為寬度范疇內的區(qū)域的長度。根據受壓區(qū)位于左側半圓范疇內時求得，該算式同樣合用于受壓區(qū)延伸至右側半圓范疇內時，因不受正負號的影響。積分公式中為所在位置（距0點距離）的底板下混凝土壓應力值，根據與位置的受壓區(qū)三角形等比例關系求得。積分公式中的為所在位置距離0點的距離；為區(qū)域寬度。因與合彎矩為0，方向相反，因此數值上，即：令：令：令：上式寫成：則：（1）根據豎向合力平衡，，得：代入、得：（2）運用（1）（2）式方程組，約去，可得：（3）根據幾何協(xié)調，可得：（4）根據應變物理，可得：定義為鋼材的彈性模量與混凝土彈性模量之比，，則：（5）運用（4）（5）式方程組，約去，可得：（6）運用（3）（6）式方程組，約去，可得：（7）代入、、后，可運用方程（7）求得混凝土受壓區(qū)計算長度。將代入（1）、（2），約去，可求得底板下的混凝土最大受壓應力：將、代入公式（1）或（2），可求得受拉側錨栓的總拉力：水平抗剪承載力：（二）底板全截面受壓，全部錨栓均不產生拉力時：如上圖所示，通過0點彎矩平衡，，據此可列平衡方程。下面介紹平衡方程的具體列法，及各部分公式的算法含義。偏心壓力對0點形成彎矩方向相似，可得：底板下混凝土壓應力形成對0點的彎矩方向與上式相反，運用積分辦法可求得：整頓后即得：積分公式中為寬度范疇內的區(qū)域的長度。根據受壓區(qū)位于左側半圓范疇內時求得，該算式同樣合用于受壓區(qū)延伸至右側半圓范疇內時，因不受正負號的影響。積分公式中為所在位置（距0點距離）的底板下混凝土壓應力值，根據與、間的受壓區(qū)梯形形等比例關系求得。積分公式中的為所在位置距離0點的距離；為區(qū)域寬度。因與合彎矩為0，方向相反，因此數值上，即：即：令：令：令：上式寫成：則：（8）根據豎向合力平衡，，得：即：代入、得：（9）運用（8）（9）式方程組，約去，可得：即：代入、、，由得：整頓后得：即：，此時圓形柱底板全截面受壓。運用（1）（2）式方程組，約去，可得：即：底板混凝土最大受壓應力為受拉側錨栓的總拉力：水平抗剪承載力：（三）底板出現(xiàn)受拉區(qū)，但分布較小，全部錨栓均不產生拉力時：如上圖所示，通過0點彎矩平衡，，據此可列平衡方程。下面介紹平衡方程的具體列法，及各部分公式的算法含義。偏心壓力對0點形成彎矩方向相似，可得：底板下混凝土壓應力形成對0點的彎矩方向與上式相反，運用積分辦法可求得：整頓后即得：其中積分公式中為寬度范疇內的區(qū)域的長度。根據受壓區(qū)位于左側半圓范疇內時求得，該算式同樣合用于受壓區(qū)延伸至右側半圓范疇內時，因不受正負號的影響。積分公式中為所在位置（距0點距離）的底板下混凝土壓應力值，根據與位置的受壓區(qū)三角形等比例關系求得。積分公式中的為所在位置距離0點的距離；為區(qū)域寬度。因與合彎矩為0，方向相反，因此數值上，即：即：令：令：令：上式寫成：（10）根據豎向合力平衡，，得：代入、得：（11）運用（10）（11）式方程組，約去，可得：當時，求得的邊界條件一：當時，求得的邊界條件二：其中因此：當時，底板出現(xiàn)受拉區(qū)，但全部錨栓均不產生拉力。聯(lián)立（10）（11）方程，約去后可列出有關的方程：（12）代入、、后，可運用方程（12）求得混凝土受壓區(qū)計算長度。將代入（10）或（11）中，可求得底板下的混凝土最大受壓應力：受拉側錨栓的總拉力：水平抗剪承載力：綜上三種狀況，類同于矩形柱底板計算狀況，可將圓形底板分成三種狀況：（1）底板出現(xiàn)受拉區(qū)，且分布較大，僅一側錨栓出現(xiàn)拉力，另一側不產生拉力；（2）底板全截面受壓，全部錨栓均不產生拉力；（3）底板出現(xiàn)受拉區(qū)，但分布較小，全部錨栓均不產生拉力。（1）底板出現(xiàn)受拉區(qū)，且分布較大，僅一側錨栓出現(xiàn)拉力，另一側不產生拉力時：當時，底板出現(xiàn)受拉區(qū)，一側錨栓受拉。（2）底板全截面受壓，全部錨栓均不產生拉力時：當時，底板全截面受壓，錨栓均不產生拉力。（3）底板出現(xiàn)受拉區(qū)，但分布較小，全部錨栓均不產生拉力時：當時，底板出現(xiàn)受拉區(qū)，但全部錨栓均不產生拉力。節(jié)點驗算：底板下的混凝土最大受壓應力：受拉側錨栓的總有效面積：水平抗剪承載力當時，不需設立抗剪件即滿足抗剪規(guī)定；當時，需另外設立抗剪件以滿足抗剪規(guī)定。參數闡明：為偏心距，；為底板下混凝土的軸心抗壓強度設計值；為底板下混凝土局部承壓時的軸心抗壓強度設計值提高系數，因軟件無法鑒定基礎與柱底板的相對關系，因此按最不利狀況考慮，??；當顧客有可靠根據時，可按下列條文擬定的數值：為混凝土局部受壓面積；為混凝土局部受壓的計算底面積（局部受壓面積需與計算底面積按同心原則擬定），按下圖采用：為受拉側錨栓的總拉力；為底板底面與混凝土或水泥砂漿之間的摩擦力；為錨栓的抗拉強度設計值，按下表采用（Q235鋼為140；Q345鋼為180）：為受拉側錨栓的總有效面積，根據總有效面積，可按《鋼構造連接節(jié)點設計手冊》（第二版）第九章表9-75（458頁）擬定錨栓的直徑和數目（下表）：為由受拉側底板邊沿至受拉錨栓中心的距離（見上文圖）；為底板受壓區(qū)的長度；為鋼材的彈性模量與混凝土彈性模量之比，。柱腳底板的厚度，應同時符合下列公式的規(guī)定，并且不應不大于柱較厚板件厚度，且不適宜不大于30mm。參數闡明：為根據柱腳底板下的混凝土基礎反力和底板的支承條件，分別按懸臂板、三邊支承板、兩相鄰支承板、四邊支承板、周邊支承板、兩相對邊支承板計算得到的最大彎矩，其值可按下列規(guī)定擬定：①對懸臂板：——計算區(qū)格內底板下混凝土基礎的最大分布反力，按上文中三種狀況下對應計算可得；——底板的懸臂長度。②對三邊支承板和兩鄰邊支承板：——計算區(qū)格內底板下混凝土基礎的最大分布反力，按上文中三種狀況下對應計算可得；——計算區(qū)格內，板的自由邊長度；對兩鄰邊支承板，按下文表中示意的斜邊長擬定；——與有關的系數，按下表采用：注：當時，按懸伸長度為的懸臂板計算。③對四邊支承板：——計算區(qū)格內底板下混凝土基礎的最大分布反力，按上文中三種狀況下對應計算可得；——計算區(qū)格內，板的短邊長度；——與有關的系數，按下表采用：④對圓形周邊支承板（普通不出現(xiàn)在此區(qū)域內部）：——計算區(qū)格內底板下混凝土基礎的最大分布反力，按上文中三種狀況下對應計算可得（計算區(qū)格內，非整個底板的最大反力）；——圓形板的半徑。⑤對兩對邊支承板：——計算區(qū)格內底板下混凝土基礎的最大分布反力，按上文中三種狀況下對應計算可得；——兩相對邊支承板的跨度。為一種錨栓所承受的拉力，；為單側錨栓布置數目；為從錨栓中心至底板支承邊的距離，以下圖所示：為錨栓的孔徑；為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值，根據計算點處鋼板材質、厚度不同而取不同數值，按下文表格中數值采用：當錨栓拉力由兩個或三個支承邊承受時，錨栓拉力對應地由各支承邊分擔，而每個支承邊的有效長度應根據擴散角來擬定。底板下的混凝土最大受壓應力驗算應滿足。單根錨栓拉力在設計時，應留有15%~20%的富裕量，軟件普通按20%考慮，因此受拉側全部錨栓應滿足。水平抗剪承載力的驗算應滿足：當時，不需設立抗剪件即滿足抗剪規(guī)定；當時，需另外設立抗剪件以滿足抗剪規(guī)定。柱腳底板厚度驗算需滿足，且mm、（為柱較厚板件）。其它有關計算底板與柱下端的連接焊縫，可按下列規(guī)定擬定。（1）當柱下端面和底板的接觸面不采用銑平加工的緊密結合傳力時，其連接焊縫應按柱身下端內力組合中的最不利彎矩、軸心壓力和水平剪力進行計算。（2）當柱下端面和底板的接觸面采用銑平加工且緊密結合傳力時，其連接焊縫可按柱身下端內力組合中的最不利彎矩和軸心壓力的75%，以及水平剪力進行計算。（3）普通狀況下，底板與柱下端的連接焊縫，無論與否設有加勁肋等補強構件，可按無加勁肋的狀況進行計算。當加勁肋等補強板件與底板和柱的連接焊縫質量有可靠確保時，也可采用柱下端和加勁肋等補強板件與底板的連接焊縫的截面性能來進行計算。當沿柱周邊采用完全焊透的坡口對接焊縫時，可視焊縫與柱截面時等強度的，不必進行焊縫強度驗算。普通針對圓柱，習慣性采用周邊完全焊透的坡口對接焊縫連接。垂直設立的普通加勁肋（加勁板）的強度及其與柱板件和柱腳底板的連接、錨栓支承加勁肋或錨栓支承托座加勁肋的強度及其與柱板件和柱腳底板的連接，可近似地按下列公式計算，同時連接焊縫尚應符合前文中所示的“柱