近三十年来各种类型的钢结构在我国获得了大范围的应用,其快速发展促进了对它们设计方法的研究。由于研究手段的现代化,钢结构稳定理论、抗震设计理论和组合结构理论都取得了巨大的进展,钢结构及其配套新技术也不断出现。虽然钢结构应用广泛,钢结构设计规范也已经进入第 4 个版本即 2017 版本,但是钢结构设计仍存在很多亟待改进的地方,例如外露式柱脚的锚栓能否参与抗剪以及抗剪承载力如何计算,外包式柱脚的外包混凝土层是钢柱的支座还是与钢柱共同工作形成了钢骨混凝土(SRC)柱,抗震结构的梁柱节点域应设计成强节点域还是弱节点域,等等。浙江大学童根树教授在参与钢结构相关规范的过程中对这些问题进行了一些思考,并带领团队进行了相关深入研究,在重视理论的同时也偏向工程应用,积累了很多很好的设计经验。为进一步促进和推动我国钢结构设计方法和技术的发展,《钢结构(中英文)》编辑部特邀童根树教授将其在钢结构设计研究中的新观点、新方法和新结果进行系列介绍,以飨读者,并欢迎大家交流和探讨。

锚栓构造如图 1a 所示,柱底板锚栓孔径为锚栓杆径+12 mm,因此需要开正常孔的垫板,垫板在就位后与底板焊接,锚栓才能参与抵抗剪力。锚栓的弹性模量是 206 GPa, 基础混凝土一般为 C30,其弹性模量为 30 GPa,仅为锚栓杆弹性模量的 0.145 倍。因此相对锚栓来说,基础是一种软材料,在水平剪力作用下,锚栓前端的基础局部水平压缩比较大,柱脚底板水平位移比较大。

a—锚栓构造柱脚; a—锚栓产生拉力机理之二。

图 1 锚栓产生拉力的机理

锚栓(图 1a)受剪,即前端混凝土受挤压,混凝土因泊松比效应而膨胀,垂直方向往上的膨胀,顶推着钢柱脚底板,但却受到锚栓的阻拦,产生界面压力,从而锚栓内产生了拉力。这是拉力产生的机理之一。

受剪过程中,钢柱底板-混凝土的界面产生滑移,锚栓前端因为有小的空腔,容许混凝土发生楔形崩裂,锚栓推挤前端混凝土,楔形区域有上移的趋势,但这一上移也受到钢柱底板的阻拦,使界面产生压力,相应锚栓内产生拉力。这是拉力产生的机理之二,见图 1b。

锚栓孔径和杆径的差、前端混凝土楔形崩裂,使得锚栓滑移一段距离后与底板孔的后端孔壁接触。滑移过程中因为底板的阻碍,锚栓被迫拉长,如图2a 所示,产生拉力。如果没有底板的锚固,无法产生拉力,如图 2b 所示。

a—水平滑移导致锚栓伸长; b—锚栓不伸长的水平位移。

图 2 锚栓受剪,锚栓内产生拉力的机理之三

锚栓剪力-界面滑移曲线如图 3 所示,锚栓受剪的三阶段如图 4 所示。

图 3 锚栓剪力-界面滑移曲线

a—OA 阶段; b—AB 阶段; c—BC 阶段。

图 4 三个阶段锚栓连接变形示意

OA 阶段各锚栓首先发生弹性变形,随荷载增大,弯矩较大截面逐步进入塑性状态,此过程中锚栓周边受压一侧的混凝土可能局部受压崩裂(图 4a);

AB 阶段,混凝土和底板之间的相对变形快速发展,说明锚栓杆形成塑性侧移机构,直至 B 点处柱脚底板锚栓孔壁下沿与锚栓接触(图 4b);

BC 阶段,锚栓和底板孔壁接触面扩大,因为受不均匀挤压力,底板嵌入锚栓,锚栓局部塑性变形很大并进入强化阶段;同时锚栓前端混凝土压碎进一步加剧(图 4c)。

受剪时出现拉力,界面产生压力,因此锚栓的受剪承载力中包含有摩擦力。

A 点处的抗剪承载力的计算模型见图 5a,为锚栓杆受拉剪弯,在底板上表面处形成上塑性铰,在混凝土内部某处剪力等于 0 的截面弯矩最大,拉弯形成下塑性铰,其与摩擦力相加,且摩擦系数取 0.4,得到: 

式中:Q 为锚栓截面提供的抗剪承载力,并假设界面压力为 ; Q_ye 为锚栓净截面面积上的抗剪屈服力; ψ 为考虑锚栓杆身弯曲、拉力和剪力共同作用形成塑性弯曲机构后的抗剪承载力折减系数,其值见表 1,柱底板 t_p 越厚,该系数越小。

a—A 点处; b—C 点处。

图 5 锚栓抗剪承载力计算模型

表 1 系数 ψ (f_yk= 235 MPa, f_ck= 20.1 MPa)

锚栓抗剪极限承载力对应 C 点处的荷载,此处界面滑移很大,锚栓变形极大,锚栓被迫拉长,迫使弯矩卸载,拉力越来越大,最终达到抗拉极限强度。

承载力公式为: 

式中:A_e 为锚栓净截面面积;f_u 为锚栓材料抗拉极限强度;0.4 为摩擦系数; α 为锚栓受剪破坏时与底板交汇部位杆的偏离直线的角度,一般在 30°左右,20° ~ 35°时的承载力系数见表 2,可见其都大于 0.7。式中第一个等号右边第二项为摩擦力。C 点承载力中摩擦力占比大,这是 C 点承载力能够超过锚栓截面本身抗剪极限剪力的原因。

表 2 极限承载力系数

钢-混凝土组合梁的界面布置了栓钉,栓钉的极限承载力也可以用上面的机理来解释,承载力计算公式完全一样。这一机理也解释了栓钉必须有栓钉头,以使栓钉内的拉力在混凝土内有较好的锚固。因此锚栓、栓钉的抗剪承载力中包含了摩擦力,也解释了界面上不应涂刷油漆这一要求。

知识点：柱脚锚栓抗剪机理及其抗剪承载力

抗剪承载力