钢结构——钢柱脚锚栓的设计方法

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：
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）
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
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。

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）
7.8.1 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。

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
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。
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）。


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
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

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
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
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。

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。
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。
7.2.2 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。
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。
7.2.1 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。
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）：
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