钢结构——钢柱脚锚栓的设计方法

y
7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况
5.英国的方法 英国对柱底板上孔径的要求是： d0当 d 5 时 d 20mm d0当 d 8 时 d 24mm 6.美国核工业结构预埋件设计规定（ACI34985）

7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法

1.ห้องสมุดไป่ตู้德滋教授推荐的计算方法
b N t 1.25 N t 1.6 N v b Nt N t
N 式中， 为每个锚栓单纯受拉时的抗拉能力， N t 分别为每个锚栓同时承受的拉力和剪力。 Nv ， 2.美国ACI349-85计算方法
b t
式中， 0.9 ，C为剪切系数，等于摩擦系数和 3 乘积的倒数。
7.6.4 柱脚底板厚度的确定

情况1.柱无外伸加劲肋的部分（图a），此时 只有一条塑性绞线，因此柱脚底板的厚度为：
tp 6 Nt e f 0.5bf

式中，Nt为一个锚栓承受的拉力。
a.悬臂板块
7.6.4 柱脚底板厚度的确定

情况2:两相邻边支承的板，
ef ew ef c ew d ef ew ef c ew d
7.2.2 锚栓仅受剪力情况

当距离增大时，锚栓弯曲变 形很明显，抗剪刚度减小。 这种节点的一个例子是当底 板与基础混凝土之间有一层 较弱的灰浆层隔开或高位锚 栓，灰浆的存在使得在剪力 作用下锚栓能较自由地弯曲 变形。当锚栓在剪力作用下 向一侧倾斜时，锚栓中形成 斜拉力，锚栓依靠混凝土的 锚固作用来抗剪。
CN v Nt Ae f y
7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法

3.于安麟等建议的方法
Vmax 0.4(Ty N ) n0 Ae fy 3
上式的摩擦抗力考虑了锚栓拉力使得基础混凝 土反力增加的有利影响。 4.按照普通螺栓的拉剪联合作用曲线 取抗剪和抗拉强度设计值与普通螺栓完全相同。
N v Nt b b 1 N v Nt
2 2
7.5 单个螺栓承载力总结
1.前文介绍的各种方法都有其合理的地方。 2.我国锚栓的强度设计值仅为欧美等国家的 2/3～3/4。 3.我们国家规定不考虑锚栓抗剪，相反，英国 有只能抗剪不能抗拉的锚栓。 4.在多少锚栓参与抗剪的问题上，存在不同的 做法，它与锚栓的构造有关。
7.8.1 外包式柱脚及其传力分析

3.剪力的分布。
柱承受的总剪力是Q,按照常理， 钢柱和外包混凝土各承担一部 分，但通过右图d所示发现， 外包混凝土承担的剪力要比钢 柱承担的剪力还要大,其值为:
Qc M hr
从弯矩和剪力的传递看，外包混凝土应看成是钢柱的 支座，而不应被看成与钢柱共同工作的一部分。
7.2.2 锚栓仅受剪力情况

若锚栓群组通过一块 底板承受剪力，且底 板埋臵在混凝土中(如 右图c)，荷载将以更 加有效的方式传递开， 因此此时底板下的混 凝土受到更大的约束， 而且底板边缘混凝土 通过承压形成抗剪能 力。
7.2.3 锚栓既受拉力又受剪力的情况
①
②
③ ④ ⑤ ⑥
⑦
受拉侧的锚栓屈服，柱脚在有或没有微小滑移的情况下，刚 体转动不断发展。 基础外伸边缘尺寸过小，致使在底板压力作用下的混凝土基 础边缘外被压裂（劈裂）。 混凝土抗压强度不足，在压力作用下基础发生局部承压破坏。 锚栓端部的锚固力不足，整个锚栓呈锥体拔出。 锚栓粘结力不足被拔出。 基础混凝土抗剪强度不足，使锚栓周围的混凝土沿45°斜线 剪坏。 锚栓受剪弯曲时，与锚栓接触的混凝土产生永久变形而破坏。

R h0 N (e h0 h / 2) 或 Z h0 M N (h / 2 c)
R N Z


式中，R为混凝土的压应力合力，e=M/N,h0为锚栓至 压力最大侧底板边的距离。 有三个未知量（锚栓拉力z，混凝土最大压应力σ和混 凝土受压边长度x）,必须建立第三个方程才能求解

国外研究情况 国外更加关注单个锚栓的承载力，破坏方式等， 对第二方面的研究却很少。 美国ACI349-85《核能结构规范》附录B对锚栓 的计算和设臵有详细的要求，还专门编制了锚 栓的设计导则。
7.2.1 锚栓仅受拉力情况


1.锚栓杆达到抗拉承载力极限。（希望的破坏形式） 锚栓拉断承载力为： Tu1 f y Ae Ae Ae 为锚栓有效抗拉面积， 为锚栓的屈服强度。 2.基础混凝土与锚杆的粘结破坏。 ft 取粘结应力与混凝土抗拉强度 相同， Tu 2 ld dft
7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况

1.于安麟等建议的方法
Vb n0 f y Ae 3
为修正系数，低位锚栓可以取0.65， 式中， 高位锚栓可以取0.4。 n0为参与抗剪的锚栓总数。 2.李德滋等建议的方法

式中，
， 为锚栓数量。
n
Vb nf v m Ae
f v m 130 N / mm2
tp
6 Nt ewe f
2 ( e c ) e be 0.5 be f w f / ew f f
tp
6 Nt ewe f
2 ( e c )(2 e e f w / e f ) 0.5bew f f
7.6.4 柱脚底板厚度的确定

情况3：三边支承的板块（如图d）：

7.5 单个螺栓承载力总结

5.锚栓的抗剪强度设计值应该取多大？存在不 同的观点。

6.锚栓抗剪和摩擦力抗剪是否能同时考虑？
英国 美国 李德滋 不考虑摩擦力抗剪 同时考虑锚栓和摩擦力抗剪 超过摩擦力的部分由锚栓抗剪
7.6 锚栓内力计算
各种计算方法才用不同的混凝土压应力分布曲 线。 确定分布曲线后，可以建立两个平衡方程:
钢结构设计方法
——钢柱脚锚栓的设计方法
主要内容
7.1 锚栓的类型 7.2 国内外对锚栓研究的概况 7.3 锚栓抗剪的计算方法 7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法 7.5 单个螺栓承载力总结 7.6 锚栓内力计算 7.7 基于极限状态的柱脚设计方法 7.8 外包式柱脚设计 7.9 埋入式钢柱脚的传力分析与设计
ld 为锚栓杆直径， 为埋入深度。 d 由于粘结强度低，为防止粘结破坏，要求采用较 大的埋入深度。
7.2.1 锚栓仅受拉力情况

3.圆锥形混凝土达到抗拉承载极限。 单个锚栓：采用水平投影面进行计算，混凝土抗拉力 计算简化为 Tu 3 0.66 ft (ld d 0 / 2)ld d 0 , 为锚栓钉头直径 锚栓群：考虑各锚栓破坏锥体相互重叠的情况。 Tu 3 为从属于该锚栓的锥体水平投影面 0.66 ft Ace Ace ， 积。
7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况
3.国外研究结论 a. 配合抗力分项系数 1.111使用) Vbs (A s (0.75 f ut )

f ut 式中， 为锚栓毛截面面积， 为锚栓抗拉极限强度。 As
1 2 Vbc 0.5(配合抗力分项系数 de Ec f c b. 1.5使用) 4 de 式中， 为锚栓直径， 为圆柱体混凝土抗压强度。 f c

7.1 锚栓的类型


欧美国家主张避免在锚栓端 头上设臵金属板来提高抗拔 出强度。 原因： （1）端头钢板所起的作用 仅仅是从锚栓中心线向外延 展被拔出的圆锥体，这对增 强锚栓抗拉承载力所起的作 用与增加埋深是一样的； （2）后者的制作成本更低。
7.1 锚栓的类型
英国广泛采用基础上带预留孔的灌注锚栓。 锚栓直径较小（≤Φ36）的情况：如下图（a） 锚栓直径较小（≤Φ36）的情况：如下图（b）
7.2.1 锚栓仅受拉力情况

Tu 2 Tu1 Tu 3 由 Tu1 和 可以确定锥体破坏决定的埋入长度， 有两者确定的埋入长度比较见下表7-1。
7.2.2 锚栓仅受剪力情况

剪力由锚栓通过承压传 给周围混凝土，剪力使 锚栓受弯，锚栓弯曲使 混凝土压碎。试验表明， 若不存在底板，高度约 为螺栓直径1/4的楔形 混凝土块能自由形成并 完全破碎，此时锚栓节点的抗剪刚度急剧减 小。上部无约束的楔体在受力作用下，将向 上翻转。

7.2 国内外对锚栓研究的概况
国内研究情况 （1）李德滋 静力性能 目前的柱脚设计方法以文献[1]（李德滋.钢柱 柱脚锚栓的应力分析和设计）为基础。 （2）于安麟 抗震性能 文献[6-8]是在柱脚滞回曲线试验研究基础上 提出了确定整个柱脚节点抗弯和抗剪承载力的 方法。

7.2 国内外对锚栓研究的概况
C1b1 C2b2 C3b3 N (0.5hs e f ) M
C1 C2 C3 N Z
7.8 外包式柱脚设计

外包式刚接柱 脚是：将钢柱 用混凝土包起 来形成的柱脚。
7.8.1 外包式柱脚及其传力分析
外包式柱脚传力分析： 1.轴力的传递（如右图所 示）。


锚栓的抗剪承载能力取上面两个中的较小值。
7. 3 锚栓既受拉力又受剪力的情况

4.混凝土结构设计规范（GB50010-2002）预 埋件设计方法
Vb (4 0.08d ) fc f y As fy
c
f d (4 0.08d ) 时取 0.7 0.7， 为锚栓直径。 其中， f 该式主要是对锚栓直径小于等于25的情况， 且 只适用于埋板顶面与基础混凝土面平齐的情况。
7.6.3 对各种方法的评论






1.我国的设计方法比较保守。 2.德国方法满足平衡条件，不违背强度条件。 3.固定混凝土最大应力，应力分布三角形法，满足平衡条件。 4.固定混凝土最大应力，应力分布矩形法，满足平衡条件、 屈服条件和机构条件。 5.英国方法假定了混凝土压力合力作用点的位臵，只满足弯 矩平衡，与我国计算方法属同一类，但更简单。 6.钢筋混凝土弹性梁比拟法，满足平衡条件、不违背强度条 件。（平截面假定） 7.李德滋教授建议的方法，是将我国、英国和德国的方法进行 了精致化处理。（较好的下限法）

由于布臵了锚钉，在向下的钢 柱轴力作用下，必然会有一部 分轴力传递到混凝土上，因此 钢柱轴力向下逐渐变小，而混 凝土内轴力逐渐变大。
7.8.1 外包式柱脚及其传力分析


2.弯矩的传递（如右图所 示）。
经研究表明：钢柱外包混凝土的柱 脚，即使在弹性阶段，两者的共同 作用不能采用钢-混凝土组合构件理 论来解决，因为外包混凝土顶部， 由混凝土承受的弯矩等于0，但是 组合构件理论要求钢和混凝土两者 曲率相同，导致混凝土顶部理论上 有弯矩而实际上没弯矩。
tp 3be f N t (4ce f b 2 4e 2 f )f

情况4：四边支承的区块：
tp 3be f cN t
2 2 2 (4e 2 c 6 c e b c b ef ) f f f
7.7 基于极限状态的柱脚设计方法

下图给出了三种柱脚，受压区分成三个区块，平衡 条件如下：
7.6.1 各种计算方法介绍





1.德国采用的方法。 2.我国钢结构设计手册的简化法。 3.美国采用的方法。 4.固定混凝土应力，混凝土压应力分布为矩形的极限 状态法。 5.钢筋混凝土梁弹性比拟法。 6.英国采用的方法。 7.李德滋教授建议的方法。 8.于安麟等建议的方法。 9.苏联寇洼里斯基。

7.1 锚栓的类型
锚栓分为：钻孔锚栓和灌注锚栓。本章主要介 绍灌注锚栓。 根据埋入端形状的不同分为：L形、J形、带钉 头以及带锚板四种。 L形及J形锚栓是依靠粘结锚固的锚栓，但L形 锚栓可能从混凝土中拔出，产生不稳固的破坏 模式。J形锚栓的弯钩是构造要求。 带端承板的锚栓是承压型锚栓，但是端承板越 大，端承板底面高度处基础混凝土有效抗拉截 面越小。这种锚栓在我国得到广泛应用。
7.8.2 外包式柱脚中轴力的传递

微元平衡方程:
dNc dN qu , s qu dx dx

单位高度上的界面抗滑移力为：
qu ks0

以拉为正 N s Es As u10 N 以拉为正 c Ec Ac u20 边界条件：