外露式单向刚接受拔力柱脚锚栓抗拔计算

对机组嘴子的影响，同时简化管道支撑结构（ 见图 8） 。利用机组的土建基础上预埋件为支吊架生
图 8 汽轮机进出口蒸汽管道支架设置
1 － 东向止推； 2 － 南北向限位
根，入口高压 蒸 汽 和 抽 气 出 来 的 中 压 蒸 汽 管 道 上 下错开布置。在机组轴线位置设置南北方向双向 限位，使限位 点 至 汽 轮 机 管 口 管 道 的 东 西 方 向 水 平管道膨胀量相当。利用管嘴处管道的 π 型弯补 偿垂直段的 热 膨 胀，同 时 在 管 架 上 设 置 东 向 止 推 支架，限制外部管道对管口的影响，并合理设置弹 簧支架承担管道及阀门的荷载，经过应力计算，使
·石化在线·
2012 年全国乙烯产量超过 1500 万吨
2012 年全国乙烯产量超过了 1500 万吨，达到 1507． 37 万吨。
柱脚底板厚度校核与焊缝计算从略。
［1］ GB50010 － 2010 混凝土结构设计规范［S］． 北京： 中国建筑 工业出版社，2010．
［2］ GB50017 － 2003 钢结构设计规范［S］． 北京： 中国建筑工业 出版社，2003．
［3］ 李星荣，魏才昂，丁峙崐，等． 钢结构连接节点设计手册（ 第 二版） ［M］． 中国建筑工业出版社： 291 － 294．
拔力的控制。在上部结构荷载作用下，其受力以 脚锚栓拉力的计算公式———此公式与《钢结构连
“压弯剪”最为常见，即柱脚同时承受压力、弯矩和
剪力，这种情 形 下 其 锚 栓 抗 拔 验 算 已 有 较 成 熟 的 方法。设计人员可以根据整体计算模型中得到不 同工况下的 柱 脚 反 力，从 各 类 节 点 图 集 或 选 用 图 表中选用适当的柱脚布置； 此外，国家建筑标准设
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N = 97kN，弯矩 M = 109 kN·m，剪力 V = 42 kN。 参考文献：
为求解该工况下锚栓的拔力，首先确定偏心距 e =
M / N = 1124 mm，从示意图中得到 L = 750 mm，Lt
［4］ 数学手册编写组． 数学手册［M］． 北京： 高等教育出版社， 2004： 75．
［5］ 范盛金． 一元三次方程的新求根公式与新判别法［J］． 海南 师范学院学报（ 自然科学版） ，1989，2（ 2） ： 91 － 98．
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4 － 混凝土受压区高度 Xn；
5 － 混凝土压应力 σc； L － 底板长； B － 底板宽
1） 当偏心距 e 满足： 0≤e≤L /2 － Lt，此时锚
栓受力形态 类 似 于 简 支 梁 的 两 支 座，底 板 下 混 凝
土无压应力。由一侧锚栓的弯矩平衡公式可得： T
= （ e + L /2 － Lt） / （ L － 2Lt） ； 当 L /2 － Lt 时，最大锚 栓拔力 T 等于柱脚拔力 N。
收稿日期： 2012 － 09 － 27。 作者简介： 邵晓晖，男，2005 年毕业于清华大学结构 工程专业，工学硕士，工程师，从事石油化工装置结构 设计工作。联系电话: 010 － 84878688; E － mail: shaoxiaohui． sei@ sinopec． com
2013 年第 1 期( 第 30 卷)
向支撑时往往受到上游的工艺与管道等专业的限 制。在某些荷 载 工 况 下，设 计 人 会 发 现 上 部 结 构 的竖向荷载不足以抵消弯矩在柱脚产生的力偶， 柱脚出现 了 拔 力。 通 常 此 种 工 况 下，上 拔 力 不 会 很大。但由于设计人员没有具体的计算公式可供 验算，只能盲目选用更多或直径更大的锚栓，存在 一定的安 全 隐 患，同 时 也 造 成 了 一 定 的 浪 费。 为 解决此问题，以 下 在 已 知 柱 脚 锚 栓 排 布 形 式 的 情 况下，推导 拉 弯 剪 柱 脚 锚 栓 拔 力 验 算 公 式。 推 导 中使用了如下假定： 材料均为线弹性； 柱脚底板保 持平截面； 柱脚底板与基础混凝土保持几何协调； 受压区混凝土的应力图形为三角形。对底板下混 凝土是否存 在 压 应 力 进 行 分 情 况 讨 论 （ 参 考 图 4） ：
2） 当偏心距 e ＞ L /2 － Lt 时，此时不考虑远端
锚栓的受压，通过柱脚底板的力平衡、弯矩平衡公
式，可以得到底板下混凝土最大受压应力 σc、锚栓 最大拉力 T 的计算公式：
σc = 2N（ e － L /2 + Lt ） /［BXn（ L － Lt － Xn /3） ］ （ 1）
T = N（ e + L /2 － Xn /3） /［L － Lt － Xn /3］
装置的主反应框架采用钢结构，按整体模型计算，
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石油化工设计
2013 年第 1 期( 第 30 卷)
MPa ，操作温度 360 ℃ ，抽出中压蒸汽管道直径 管口应力满足制造厂许用受力要求。
DN350，操作压力 2． 15 MPa，操作温度 300 ℃ 。汽
轮机管口附近管道应保证竖直及水平方向都具有
确定该框架柱采用焊接 H 型钢： WH450 × 400 × 16
3 设计实例
× 25。柱脚采用外露式单向刚接柱脚，基础混凝
某石油化工装置，工程场地位于辽宁省，抗震 土等级 C30。其锚栓平面布置见图 6。
设防烈度 7 度（ 0． 1 g） ，基本风压 0． 6 kN / m2 。该
在设备空重 + 风荷载工况下： 柱脚竖向拔力
土受压区高度 Xn 的计算方程： X3n － 3（ e + L /2 ） X2n + 6αAae （ e － L /2 + Lt ） （ L －
Lt － Xn） /B = 0
（ 3）
式中，α 为钢材弹性模量与混凝土弹性模量之比，
A
a e
为受拉锚栓总有效面积，E c 、E s
分别为混凝土与
钢材的弹性模量。符号说明见图 5，柱脚锚栓布置
（ 2）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
此时，将锚栓处的物理应变方程： εc / ε = （ σc /
Ec） / （ T / Aac / Es） ； 与底板几何协调方程： εc / ε = Xn /
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石油化工设计
2013 年第 1 期( 第 30 卷)
（ L － Lt － Xn ） 合并，代入式（ 1） 、（ 2） 中，得到混凝
外包式柱脚
图 1 外露式柱脚
1 － 钢柱； 2 － 柱脚底板； 3 － 垫板； 4 － 加劲肋； 5 － 柱脚锚栓； 6 － 抗剪键； 7 － 排气孔； 8 － 泄水孔
外露式刚性固定柱脚是工程最为常见的一种 计图集《单层房屋钢结构节点构造详图（ 工字型截
刚接柱脚形式，这类柱脚的承载力通常受锚栓抗 面钢柱柱脚） 》（ 06SG529 － 1） 中，还给出了刚接柱
足够柔性，管 道 对 汽 轮 机 管 口 的 作 用 力 和 力 矩 应 符合制造厂或者 NEMA SM23 的要求［3］。
2． 5． 2 进出口蒸汽管道布置
厂房外蒸汽管道考虑与主风管道共用厂房外
北侧管架，机组附近蒸汽管道围绕基础立柱布置，
利用管道走 向 自 然 补 偿 管 道 热 膨 胀，减 小 热 应 力
注意，出现拔力工况的柱脚必须设置抗剪键。
图 5 符号说明示意 图 6 算例中的柱脚锚栓布置示意
图 7 混凝土强度等级为 C25、C30、C35 和 C40 的底板下混凝土受压区高度计算曲线
曲线 1 ～ 曲线 7： 分别代表 ρ = 0． 01、0． 007、0． 005、0． 003、0． 002、0． 001、0． 005 时的受压区高度
图 3 框架弱轴方向的结构布置与受力模式
近年来随着国内经济的发展和市场的需求不 断增加，新 增 的 各 类 石 化 装 置 趋 向 大 型 化、集 约 化，并伴随着设备国产化，同时结构专业在布置竖
图 4 混凝土“无”和“有”压应力时的拉弯柱脚计算示意
1 － 柱脚拔力 N； 2 － 偏心距 e； 3 － 柱脚螺栓；
关键词： 外露式刚性固定柱脚 单向刚接 混凝土受压区高度
1 常见的钢框架柱脚形式
个重要组成部分，它将上部结构荷载传至基础，并
钢结构 承 重 框 架 是 石 化 装 置 常 见 的 结 构 形 式，相对于混 凝 土 结 构，它 具 有 自 重 小、布 置 灵 活
连接着钢柱与钢筋混凝土基础这两种力学性质迥 然不同的材料，设计人员必须高度重视［1，2］。钢框
参考文献：
［1］ 张德姜，王怀义，刘绍叶． 工艺 管道安 装设计 手册［M］． 北 京： 中国石化出版社，2005．
［2］ SH 3011 － 2011 石油化工工艺装置布置设计规范［S］． 北京： 中国标准出版社，2011．
［3］ SH 3012 － 2011 石油化工金属管道布置设计规范［S］． 北京： 中国标准出版社，2011．
等优势，广泛用于设备操作框架、仓库、厂房等建 架柱脚按结构内力分为铰接连接柱脚和刚性固定
（ 构） 筑物中。钢结构的柱脚节点是结构整体的一 连接（ 刚接） 柱脚两大类（ 见图 1 和图 2） 。
{ { 铰接柱脚 － 仅传递垂直与水平力
钢结构柱脚
外露式柱脚
刚性固定柱脚 － 除传递垂直力和水平力，还要传递弯矩 埋入式柱脚
设计技术
石油化工设计
Petrochemical Design
2013，30( 1) 8 ～ 10
外露式单向刚接受拔力柱脚锚栓抗拔计算
邵晓晖
( 中国石化工程建设有限公司，北京 100101)
摘要： 介绍了国内石化装置钢结构承重框架中普遍应用的刚性固定柱脚与铰接柱脚，叙述了工程中 最为常见的外露式单向刚接柱脚的布置形式及其受力特性。针对柱脚同时出现弯矩和上拔力的特殊工 况，在一定假设条件的基础上，推导外露式单向刚接柱脚中锚栓受拔力的计算公式，并依据公式给出满足 工程精度需要且易于查阅的图表，以供工程设计人员参考使用。以实际设计工程为算例，说明了外露式 单向刚接柱脚中锚栓受拔力图表的使用方法及计算过程。
见图 6。
解方程［4，5］（ 3） 求出 Xn，即可通过公式（ 1 ） 与
公式（ 2） 求出混凝土最大压应力与锚栓拉力； 或者
也可根据柱脚底板下混凝土的强度等级，按图 7
的曲线确定（ 符号说明见图 5） 。柱脚底板厚度校
核及焊缝 验 算 与“压 弯 剪 ”柱 脚 的 情 况 类 似，《手
册》中已有论述与计算公式，此处不再说明。需要
2 外露式单向刚接受拔力柱脚锚栓的抗拔计算 在国内的石化装置设计中，" 外露式单向刚接
柱脚" 应用十分广泛，其布置形式如图 1（ c） 所示。 在计算中，假定钢框架柱强轴方向按刚接设计，弯 矩可以通过柱脚传递给基础； 弱轴方向按铰接设 计，通过布置竖向支撑，将水平荷载在柱脚产生的 弯矩转化为 力 偶，分 别 传 递 给 支 撑 两 侧 的 钢 柱 基 础。这种柱脚 能 充 分 发 挥 材 料 的 力 学 性 能，受 力 简单明确，施工方便快捷，有一定的安全储备。缺 点是弱轴方 向 的 竖 向 刚 度 过 于 集 中，影 响 了 框 架 的整体工作性能，见图 3。
= 65mm，再由《手册》及参考文献中所列规范得到
A
a e
与
α
的值，带入方程（
3）
，解出
Xn
= 120mm。或
者通过查图 8，根据 X / l = 2． 2，ρ 及 = 0． 005，也可
得到 的值约为 120 mm。将 代入式（ 1） 与式（ 2） ，
求出锚栓拔力 54． 8 kN，混凝土压应力 3 N / mm2 。
邵晓晖． 外露式单向刚接受拔力柱脚锚栓抗拔计算
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图 2 埋入式与外包式柱脚
1 － 基础纵向主筋； 2 － 顶部加强钢筋； 3 － 圆柱头栓钉； 4 － 柱脚底板； 5 － 柱脚锚栓； 6 － 一般箍筋
接节点设计手册》（ 中国建筑工业出版社 第二版） （ 以 下 简 称《手 册》） 中 给 出 的 锚 栓 拔 力 计 算 公 式［3］是一致的———设计人员可以根据柱脚反力求 出锚栓拉力，进 而 验 算 柱 脚 底 板 厚 度 和 底 板 下 混 凝土的压 应 力，并 对 焊 缝 进 行 校 核。 柱 脚 的 剪 力 则根据其值 的 大 小，由 柱 脚 底 板 与 混 凝 土 之 间 的 摩擦力或设置抗剪键来承受。