鋼結構柱腳剛接與鉸接

第八章基礎設計房屋建筑設計總體上分為上部結構設計和下部結構設計兩大部分，輕型鋼結構建筑也不例外，前面幾章已介紹了其上部結構，本章對其下部結構一一基礎作一些討論。眾所周知，在房屋建筑中，基礎造價約占整個建筑物的30%左右，對于輕鋼結構而言，最大優(yōu)點就是重量輕，從而直接影響基礎設計，與其它結構型式的基礎相比，輕鋼結構基礎尺寸小，可以減少整個建筑物造價，另外對于地質條件較差地區(qū)，可優(yōu)先考慮采用輕鋼結構，這樣容易滿足地基承載力方面的要求。那么輕鋼結構基礎與砼結構基礎有什么不同？輕鋼結構基礎是如何設計的？在輕鋼結構基礎設計時應注意哪些方面？本章針對這些問題進行探討，而不涉及基礎本身設計的有關內容。第一節(jié)基礎設計的特點由于結構型式、荷載取值、支座條件等方面的不同，傳至基礎頂面內力是不同的，輕鋼結構與傳統(tǒng)的砼結構相比，最大差別就是在柱腳處存在較小的豎向力和較大的水平力，對于固接柱腳，還存在較大的彎矩，在風荷載起控制作用的情況下，還存在較大的上拔力。柱底水平力會使基礎產生傾覆和滑移，基礎受上拔力作用，在覆土較淺的情況下，會使基礎向上拔起，有關這方面的問題，后面再作詳述。由于輕鋼結構的這些受力特點，導致其基礎設計與其它結構存在很大的不同，主要表現在以下幾個方面：基礎形式基礎型式選擇應根據建筑物所在地工程地質情況和建筑物上部結構型式綜合考慮，對于砼結構基礎，常見的基礎型式有獨立基礎、條形基礎、片筏基礎、箱形基礎、樁基等等，而對于輕鋼結構而言，由于柱網尺寸較大，上部結構傳至柱腳的內力較小，一般以獨立基礎為主，若地質條件較差，可考慮采用條形基礎，遇到暗浜等不良地質情況，可考慮采用樁基礎，一般情況下不采用片筏基礎和箱形基礎。柱腳受力(a)鉸接柱腳 (b)剛接柱腳圖8-1不同柱腳型式的受力情況砼結構柱腳均為剛接，即同時存在軸向力N、水平剪力V和彎矩M，故基礎尺寸較大，輕鋼結構常見的柱腳型式有剛接和鉸接兩種(圖8-1)，其受力是不同的，對于鉸接柱腳，只存在軸向力N和水平力V，對于剛接柱腳，除存在軸向力N和水平力V之外，還存在一定的彎矩M，從而使剛接柱腳的基礎大于鉸接柱腳?；A破壞形式要正確進行基礎設計，首先要知道基礎破壞形式，對其工作原理有所了解。對于砼結構，通常柱網尺寸較小，故柱底水平力相對較小，基礎一般不會產生滑移現象，又由于上部結構自重很大，足以抵抗風荷載作用下產生的上拔力，故基礎也不會產生上拔的可能，對于這種結構，基礎主要發(fā)生沖切、剪切破壞；而輕鋼結構則不同，基礎除發(fā)生沖切、剪切破壞之外，由于存在較大的水平力，對于固接柱腳，還存在較大的彎矩作用，從而導致基礎產生傾覆和滑移破壞，另外，在風荷載較大的情況下，特別對于一些敞開或半敞開的結構，由于輕鋼結構自重很輕，有可能不足于抵抗風荷載產生的上拔力，導致基礎上拔破壞。為防止這些破壞的發(fā)生，最經濟有效的方法是增加基礎埋深，即增加基礎上覆土的厚度，但增加了土方開挖和回填工程量。另外對于輕鋼結構基礎，還須預埋錨栓（也稱地腳螺栓），用于上部結構和基礎的連接，若錨栓離砼基礎邊緣太近，會產生基礎劈裂破壞，所以我國鋼結構設計規(guī)范規(guī)定了錨栓離砼基礎邊緣的距離不得小于150mm；若錨栓長度過短，會使錨栓從基礎中拔出，導致破壞，所以規(guī)范也規(guī)定了錨栓埋入長度?；A設計內容基礎設計一般包括基礎底面積確定、基礎高度確定和配筋計算，還應符合有關構造措施。基礎底面積可根據地基承載力確定，同時還應考慮軟弱下臥層存在；基礎高度由沖切驗算確定；在基礎底面積和高度確定的情況下計算基礎配筋，這里須注意伸縮縫雙柱基礎處理，雙柱為基礎提供了兩個支點，在地基反力作用下，有可能出現負彎矩，即基礎上部受拉的情況，此時除基礎底部配置鋼筋外，基礎上部也應配筋，避免因上部受拉而出現開裂現象。輕鋼結構基礎除上述內容以外，還須進行柱底板設計和錨栓設計，至于這兩部分設計歸于上部結構還是下部結構，也存在一些爭議，柱底板尺寸是根據柱與基礎連接部位砼的局部承壓來確定的，與基礎砼參數有關，但其制作又與上部結構連在一起，按照常規(guī)柱底板設計歸入上部結構；錨栓在上部結構和基礎之間起橋梁作用，但基礎施工時應將錨栓埋入，故屬于基礎部分。本章避開這個問題，就錨栓和底板設計分別進行討論。與上部結構連接基礎與上部結構是二次施工完成的，其間存在連接問題。對于砼結構的基礎，通過預留插筋的方式連接上部結構（圖8-2a），而對于輕鋼結構基礎，則通過預埋錨栓的方式進行連接（圖8-2b）。（a）砼柱基礎預留插筋 （b）鋼柱基礎預留錨栓圖8-2基礎與上部結構的連接有關構造措施除上述提到的幾個方面之外，輕鋼結構還有一些構造措施有別于其它結構的基礎，比如基礎頂面須設置二次澆灌層；埋入式柱腳應在鋼柱埋入部分設置栓釘；埋入式柱腳鋼柱翼緣保護層厚度，對于中柱不小于180mm，對于邊柱和角柱的外側不宜小于250mm，具體詳見有關構造手冊。第二節(jié)基礎設計的特殊處理措施由于輕鋼結構的特殊性，使其基礎設計也與一般結構不同，下面從幾個方面加以討論。一、剛接和鉸接柱腳前面已提到過，能抵抗彎矩作用的柱腳稱為剛接柱腳，相反不能抵抗彎矩作用的柱腳稱為鉸接柱腳，剛接與鉸接的區(qū)別在于是否能傳遞彎矩，在實際工程中，絕對剛接或絕對鉸接都是不可能的，確切地說應該是一種半剛接半鉸接狀態(tài)，為計算方便，只能根據實際構造把圖8-3幾種常見的柱腳型式柱腳看成接近剛接或鉸接。剛接或鉸接柱腳關鍵取決于錨栓布置，鉸接柱腳一般采用兩個錨栓（圖8-3a），以保證其充分轉動，但有時考慮錨栓質量問題，若一個錨栓質量不保證，會對整個結構受力產生較大影響，所以為安全起見，也可布置四個錨栓（圖8-3b），但錨栓盡量接近，以保證柱腳轉動。剛接柱腳一般采用四個或四個以上錨栓連接（圖8-3c），圖中采用六個錨栓，可以認為柱腳不能轉動，前面講的幾種柱腳均為錨板式柱腳，構造簡單，是工程上常用的柱腳型式，另外還有一種柱腳型式.，即靴梁式柱腳.（圖8-3d）.，.這種柱腳可看成固接柱腳.（屬于剛接柱腳），由于柱腳有一定高度，使其剛度較好，能起到抵抗彎矩的作用，但這種柱腳制作麻煩，耗工耗材，逐漸被其它柱腳型式所代替。下面再介紹工程上比較常用的固接柱腳（屬于剛接柱腳），即包裹式柱腳（圖8-4），這種柱腳既節(jié)省鋼材又構造簡單，施工方便，而且安全可靠，在受力上保證柱腳基本不發(fā)生轉動，與計算模型很吻合，是一種典型的固接柱腳。另外還有一種插入式剛接柱腳，將鋼柱直接插入混凝土內用二次澆灌層固定，這種柱腳近年來被北京鋼鐵設計研究總院等單位研究成功，已在多項單層工業(yè)廠房中應用，效果良好，并不影響安裝調整。r1r0C2S抗?jié)B海鞋土包樁/JI10CWM.■-折石是蝙土制&免美*鋼輜至設計隔1 ■!>圖8-4包裹式柱腳上面討論了剛接柱腳和鉸接柱腳的有關構造，計算模型應與構造相一致，否則會造成工程事故，這一點作為工程設計人員需特別注意。那么在何種情況下采用剛接柱腳或鉸接柱腳？其實這兩種柱腳很明顯的區(qū)別就是對側移控制，如果結構對側移控制較嚴，則采用剛接柱腳，例如有吊車荷載的情況，吊車荷載是動力荷載，對側移比較敏感，而且側移過大會造成吊車卡軌現象，此時應把柱腳設計成剛接柱腳，但在某些特殊情況下也可設計成鉸接；又如有樓層的結構，側移過大會使人感覺不安全，左右晃動，而且還會使樓面裝修材料開裂等等，這樣結構柱腳應按固接設計。對工程上常見的門式剛架，柱腳通常設計成鉸接；對地質情況較差地區(qū)，柱腳應考慮鉸接，

這樣傳至基礎的內力僅為軸力和剪力，不存在彎矩，有利于基礎設計，可以減少基礎造價。二、錨栓錨栓是將上部結構荷載傳給基礎，在上部結構和下部結構之間起橋梁作用。錨栓主要有兩個基本作用：作為安裝時臨時支撐，保證鋼柱定位和安裝穩(wěn)定性。將柱腳底板內力傳給基礎。錨栓采用Q235或Q345鋼制作，.分為彎鉤式和錨板式兩種。..直徑小于M39的錨栓.，.一般為彎鉤式(圖,8-5a)直徑大于M39的錨栓，一般為錨板式(圖8-5b)。(a)彎鉤式 (b)錨板式圖8-5基礎錨栓對于鉸接柱腳，錨栓直徑由構造確定，一般不小于M20；對于剛接柱腳，錨栓直徑由計算確定.一般不小于M30o錨栓長度由鋼結構設計手冊確定，若錨栓埋入基礎中長度不能滿足要求，則考慮將其焊于受力鋼筋上。為方便柱安裝和調整，柱底板上錨栓孔為錨栓直徑的1.5倍(圖8-6a)，或直接在底板上開缺口(圖8-6b)。底板上須設置墊板，墊板尺寸一般為-100x100，厚度根據計算確定，墊板上開孔較錨栓直徑大1?2mm，待安裝、校正完畢后將墊板焊于底板上。R-1-yR-1-y—=1 1—bq卜’?fl1(a)開圓孔 (b)開缺口圖8-6柱腳底板開孔圖8-7為鉸接柱腳錨栓布置圖，圖8-8為剛接柱腳錨栓布置圖。在圖8-7中，從安全角度考慮，中柱兩個錨栓可換成四個，但間距不能太大，以保證鉸接。

-?-?_????圖8-7鉸接柱腳錨栓布置圖圖8-8剛柱腳錨栓布置圖在工程上經常會提出這樣一些問題：錨栓能否抗剪？墊板是否要與底板焊牢？在施工時錨栓是否擰緊？我國鋼結構設計規(guī)范是不允許錨栓抗剪的，剪力是通過底板和基礎頂面的摩擦力來傳遞的，若不滿足要求則須設抗上海市輕鋼規(guī)程規(guī)定，采用靴梁的剛接柱腳以及考慮地震作用組合時的外露式柱腳的錨栓不得用于傳遞柱腳底部的水平反力，此水平反力應由底板與混凝土基礎頂面間的摩擦力承受，摩擦系數可取0.4，當水平反力大于摩擦力時，應設置抗剪鍵，上述情況之外，外露式柱腳的錨栓可以傳遞柱腳底部的水平反力，但必須進行計算，并將墊板與底板焊牢。后者應該更合理些，因為輕鋼結構重量比較輕，摩擦系數為0.4時底板和混凝土之間產生的摩擦力很小，特別是在風吸力起控制作用時，底板與混凝土之間幾乎不存在壓應力，也即摩擦力幾乎沒有，如果按鋼結構設計規(guī)范，在此情況下很難滿足摩擦力抗剪的條件，很多結構須設抗剪鍵，但在實際工程中很少設抗剪鍵，也沒有因此發(fā)生工程事故，可見錨栓參與了抗剪。若錨栓抗剪，一方面錨栓須滿足強度要求，另一方面與錨栓相鄰的砼不發(fā)生局部承壓破壞。有人認為錨栓應該擰緊，這樣有利于傳力，這種說法是不正確的，對于目前常用的平板式柱腳，考慮錨栓傳遞剪力的情況，錨栓不應該擰得很緊，這樣錨栓在墊板開孔中產生微小滑動，使其與墊板孔壁接觸，而墊板又與底板焊牢，從而起到傳遞剪力的目的。但對于固接柱腳，為保證彎矩傳遞須擰緊錨栓。三、特殊情況下輕鋼結構基礎格構式柱基礎格構式柱的柱腳有整體式和分離式兩種，整體式一般用于受力較小、兩分肢間距較近時，但比較耗材，在大多數情況下采用分離式柱腳；分離式柱腳兩肢完全分開，每個肢均為軸心受力。由于兩種柱腳構造不同，造成基礎設計也不同。對于整體式柱腳，由于柱腳底板是整塊的，且設置一定數量加勁肋，使柱腳形成一個整體剛度，因而作為基礎的一個支點，這樣基礎僅需底部配置受力筋，而上部不需配筋（圖8-10a）;對于分離式柱腳，柱肢是分開的，但其基礎很難分開，因而為基礎提供了兩個支點，此時在基礎上部出現負彎矩，也即出現受拉的情地坪有較高承載力時的基礎處理在實際工程中，經常碰到一些改建、擴建工程，比如在集裝箱碼頭建造輕鋼廠房，或在老建筑旁擴建輕鋼房屋但基礎很難施工，等等。在進行這類工程的基礎設計時，可考慮采用喜利得（HILTI）錨栓，該錨栓由瑞士喜利得公司生產，在國內工程中已得到廣泛應用，這種方法不需設計基礎，只要地坪具有足夠的強度，就可直接在地坪中預埋HILTI錨栓。下面提供HILTI錨栓的有關技術數據，有關錨栓固定設計方面的細節(jié)可向喜利得公司垂詢。表8-1 HILTI錨栓有關技術數據HAS螺桿尺寸N設計抗拉力（KN）設計抗剪力（KN）HVU尺寸 Cfflffl) 孔徑do Cfflffl) 孔深ho Cfflffl) M810.37.981080M1013.812.6101290M1219.818.31214110M1628.934.61618125M2052.454.02024170M2475.577.82428210M2792.4164.02730240M30121.3199.33035270M33142.5248.43337300M36169.4291.53640330M39194.1350.639423601、以上數據用于：?混凝土強度為C25/30。?鍍鋅螺桿需符合ISO898T15.8級。?要達到以上剪力，基材厚度（h）不小于邊距（C）的1.5倍。2、 要更大力量可增大孔深，但最大不能超過標準2倍深。3、 HVU管劑主要化學成分為：Vinylurethane樹脂。4、 有關錨栓安裝時邊距和間距和混凝土對拉力和剪力的影響請與HILTI工程師聯系。5、 M24以上的螺桿設計剪力是依據8.8級鋼材。表8-2 HVU配件HAS螺桿

品名品號品名品號HVUM8X80256691/7HASM8X11066001/9HVUM10X90256692/5HASM10X13066002/7HVUM12X110256693/3HASM12X16066003/5HVUM16X125256694/1HASM16X19066004/3HVUM20X170256695/8HASM20X24066084/4HVUM24X210256696/6HASM24X29066085/1HVUM27X240256697/4HASM27X340259990/0HVUM30X270256698/2HASM30X380259991/8HVUM33X300256699/0HASM33X420229728/1HVUM36X330256700/6HASM36X460259992/6HVUM39X360256701/4HASM39X510259993/4HVU藥劑管HAS螺桿第三節(jié)典型柱基礎細部詳圖通過前面討論，我們已經對輕鋼結構基礎有一個初步了解，現結合實際工程，給出幾種典型柱基礎詳圖，以供大家參考。2.柱下條形基礎2.柱下條形基礎圖8-12柱下條形基礎第四節(jié) 柱底板和錨栓設計[9]一、軸心受壓柱腳設計底板面積式中：N——柱軸心壓力設計值。狀——基礎所用鋼筋砼局部承壓強度設計值。A0——錨栓孔面積底板厚度底板壓力:對于底板彎矩，分以下情況進行設計:⑴四邊支承板其中：a——短邊長度b——長邊長度ba——系數，由一查表8-3求得。a表8-3 四邊支承板a系數1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.00.0480.0550.0630.0690.0750.0810.0860.0910.0950.0990.1020.125⑵三邊支承、一邊自由板或兩鄰邊支承板其中：a1——自由邊長或對角線長度b1——兩相鄰固定邊頂點到a1的垂直距離P——系數，由b查表8-4求得。a1表8-4 三邊支承、一邊自由或兩鄰邊支承板P系數0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.80.0270.0360.0440.0520.060.0680.0750.0810.0870.0920.0970.850.90.951.01.11.21.31.41.51.752.00.1020.1050.1090.1120.1170.1210.1240.1260.1280.130.132b八° 7當—<0.3時，按懸臂長為b1的懸臂板計算。1⑶一邊支承、三邊自由板其中：C——懸臂長度。最終彎矩設計值Mmax=maxM1,M2,M3}最佳設計方案應使M1,M2,M3接近相等，若相差較大，應調整區(qū)格。若不考慮塑性發(fā)展，則：Mmax<fW由于上述求出的彎矩是每延米彎矩，即：W=1126代入上式可得底板厚度：我國鋼結構設計規(guī)范中考慮底板塑性發(fā)展，故求底板厚度時采用下式計算：錨栓設計由于該柱腳不承擔彎矩，為鉸接柱腳，故錨栓按構造設置。二、偏心受壓柱腳的計算這里針對實腹整體式柱腳進行設計，而對于分離式柱腳，相當于獨立的軸心受壓柱腳，其計算方法同軸壓柱腳。1.底板面積假定底板下壓應力成直線分布式中：N，M——柱軸心壓力和彎矩設計值。f*——基礎所用鋼筋砼局部承壓強度設計值

2.底板厚度取q=。max(區(qū)段內最大地基反力)，其余計算同軸心受壓柱。錨栓計算NM八當。 =—7-——V0時，底板與基礎開始脫離，從而產生拉應力，而minLXB1nTBL6該拉應力合力應由錨栓來承擔，如圖8-13所示。圖圖8-13錨栓計算簡圖￡m￡md=0則：N-a—M+Z-x=0即:b max maxmin,tLc ,cb max maxmin式中：a=—一3，x=d一3，則錨栓所需要的有效截面面積為:式中：狀——錨栓抗拉強度設計值。求得錨栓所受的拉力或錨栓有效截面面積后，直接查表8-5、表8-6即得所需錨栓規(guī)格。表8-5 Q235鋼錨栓選用表錨栓直徑d(mm)202224273033363942454852有效面積氣(頃2)2.4483.0343.5254.5945.6066.9368.1679.75811.2113.0614.7317.58單個錨栓承載力N；(KN)34.342.549.464.378.597.1114.3136.6156.9182.8206.2246.1錨栓直徑d(mm)56606468727680859095100有效面積A(cm2)20.3023.6226.7630.5534.6038.8943.4449.4855.9162.7369.95單個錨栓承載力284.2330.7374.6427.7484.4544.5608.2692.7782