外露式钢结构刚性固定柱脚设计探讨.doc

外露式钢结构刚性固定柱脚设计探讨
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摘要本文在矩形底板的压弯剪刚性固定柱脚设计的基础上，对拉弯剪刚性固定柱脚以及圆形底板柱脚的求解方程，进行了详细地推导，给工程技术人员在设计时一个可以借鉴的计算公式，并给出了实际的算例。关键词钢结构拉弯剪柱脚，圆形柱脚底板，锚栓
DISCUSSABOUTTHEDESIGNOFBAREANDRIGIDBASEOFSTEELCOLUMN
AbstractOnthebasisofthedesignofrigidcolumnbasewitharectangularbaseplateunderacombinationloadingofcompression,shearandbending,thisarticlegivesdetaileddeductionoftheequationsforrigidcolumnbasewithacirclebaseplateandoneunderacombinationloadingoftension,shearandbending.Italsogivescalculationformulawhichcanbeusedforreferencefortheengineers.Inaddition,itpresentspracticalcases.
Keywordssteelcolumnbaseunderacombinationloadingoftension,shearandbend;circlebottomplateofcolumnbase;anchorbolt.

外露式钢结构刚性固定柱脚是我们工程实际中最常见的柱脚节点，这其中又以受压弯剪的矩形柱脚底板的最为普遍，我们设计中能参考的规范及手册中所介绍的公式也都是针对这种情况。但随着基本建设规模的不断扩大，结构类型也越来越复杂，我们在实际工程中遇到的问题也越来越多，针对新的问题，我们所依据的原来的规范手册中计算公式就显得不够全面了。
针对外露式钢结构刚性固定柱脚节点，虽然以压弯剪的矩形底板最为常见，但作者在多年的实际工程实践中，就碰到了在受力上诸如拉弯剪的情况，在形式上诸如圆形底板的情况，这些需要解决的实际问题，都缺少指导性的设计依据。为此，作者参考外露式刚性固定柱脚的压弯剪设计公式，专门对另外的情况进行了详细地推导，算是对节点设计资料的一个补充。也希望给广大的钢结构技术人员带来一些实际的帮助。
1、矩形底板外露式刚性固定柱脚压弯剪设计
一般来说，我们平时所参考的矩形外露式刚性固定柱脚的计算设计内容，主要包括底板下混凝土的受压应力的验算；在底板混凝土压应力和锚拴拉力作用下分区域的底板厚度验算；锚栓的受拉验算；水平抗剪验算等。具体是在一些诸如混凝土线弹性，底板的刚性平截面等假定基础上，建立偏心压力，锚栓拉力以及底板混凝土线性压应力合力的平衡体系，进而求得各参数。其中最主要是求得混凝土受压区的长度。如图1所示是文献[1]的8-85条所给出的表8-3中刚接柱脚在单向弯矩作用下受力情况，共有(a)，(b)，(c)三类，主要是根据底板下混凝土受压应力的分布来进行分类的，设计者可根据偏心距e值的大小，依据所提供的e值判别式来判断所属类型，并进而根据表中所提供的公式及图表来求矩形底板下混凝土的受压区长度，并进而根据所提供的公式求得最大压应力σc，锚栓受拉力T，根据σc、T就可以进行底板厚度验算等其他设计内容。
2、矩形底板外露式刚性固定柱脚拉弯剪设计
虽然柱子受拉的情况不是常见，但拉弯剪的柱脚情况也是会有的，既然有，我们就得解决这类问题，也许你会说，将文献[1]的8-85条表8-3所给的公式中的N值以负值替代，但这样的结果是不正确的，下面我们对拉弯剪情况作详细分析。
图1矩形底板压弯剪刚性固定柱脚
图2底板无压应力的拉弯柱脚图3底板有压应力的拉弯柱脚
像压弯剪柱脚一样，我们仅考虑单方向，假定锚栓是对称布置的，如图2所示，剪力的作用是可以独立考虑的，两边的锚栓分别受拉力T和T1，当拉力N作用在中心时，底板完全受拉，下面混凝土是没有压应力的，随着偏心值e的加大，才可能在拉力作用点的对侧出现底板下压应力，那么e值取多大时是一个分界线呢？
我们对图2中受T拉力的锚栓处P点求合力矩，假定T1=0，此时底板下无压应力

可以得到：
(1)
也就是说，当时，底板下无压应力。
此时锚栓最大的拉力值可以由下式确定
由得
(2)
当时，如图3所示
由
得
(3)
(4)
再通过几何协调方程
(5)
和应变物理方程
(6)
联立（5）（6）式得
(7)
将（7）式代入（1）（2）式可得到求解Xn的方程如下：
(8)
由上述公式，我们可以看到它们与文献[1]的8-85条表8-3所给的公式类似。
图4圆形底板受