轻钢厂房刚接柱脚的半刚性对整体结构侧移的影响

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摘要：将日本建筑协会提出的半刚性节点的判定方法引入到我国轻钢厂房门市刚架设计过程中。通过计算算例表明，达到半刚性判定条件的露出型刚接柱脚对整体结构具有相当程度的侧移影响，考虑柱脚半刚性的整体结构侧移与刚接柱脚相比增大40%左右，以至于不能忽略该影响的存在，

关键词：柱脚，轻钢门市刚架，刚度，住顶侧移

1概述：

门市刚架轻钢厂房柱脚分为刚接和铰接两种形式，其中刚接形式常常用于跨度，高度相对较大的厂房中。门市刚架因为其刚架截面尺寸较小，自身重量较轻的特性，在外力作用下往往会产生相当程度的侧移变形，这种侧移变形目前已被我国《门市刚架轻钢结构技术规程》（CECS:2002）所考虑和限制，但规程中对侧移的计算对柱脚的假设是完全的刚接和铰接，忽略了柱脚在受力过程中的具备的转动能力，这种具备一定转动能力的柱脚称为主教的半刚性。这种半刚性对刚接柱脚的刚架影响是增大了刚架侧移，而对铰接柱脚的刚架则是减小了刚架侧移。

2柱脚半刚性的引入

1995年1月17日日本阪神地震，相对于其他结构，钢结构震害较小。调查结果显示，钢结构受害较多的有：梁柱节点焊缝断裂，钢柱脆断，柱脚拔起。使人们更进一步地认识到，连接与节点设计的重要。2001年4月，日本建筑学会编制了《钢结构节点设计指针》[1]，将原《钢结构设计基准》中的有关内容分离出来，以单行本发行。

通常外露式柱脚连接可分为刚接、铰接和半刚性连接三种形式。刚接和铰接是一种理想化的连接形式，半刚性连接才是实际工程中最常遇到的一种连接形式。 对外露式柱脚，现在国内的规范，规定用刚接和铰接来设计，显然这种规定与实际是有误差的，有的甚至相差甚远。引入半刚性的设计方法，也带有某种程度的近似，但毕竟向实际靠近了一步。

为此本文给出一个刚接柱脚计算算例，介绍日本轻钢厂房设计中队柱脚半刚性的设计。

2.1半刚性柱脚的定义：

1）满足公式（2.1）

（2.1）

的为刚性柱脚，不满足的为半刚性柱脚。

式中：―柱脚的最大弯曲耐力

―节点系数，取1.3

―钢柱的全塑性弯矩

2）确保外露式柱脚变形能力的三种途径

（1）按锚栓杆部先屈服来设计，底板无大的变形，其恢复力特性曲线呈滑移型，耗能小。

（2）按底板先屈服来设计，其恢复力特性曲线呈纺锤型，耗能大。

（3）按钢柱先屈服来设计，即刚性柱脚。

本计算按上述（1）进行。

3）半刚性柱脚的弹性刚性计算

（1）同时考虑锚栓伸长，螺纹部塑性变形，底板的平面外变形，混凝土和二次灌浆的压缩变形，来求弹性刚性的理论值，非常困难。

（2）本计算的弹性刚性计算公式，仅考虑锚栓的伸长。同时假定回转中心位于钢柱弯曲受压侧的翼缘的外侧。

（3）柱脚的弹性刚性，可视为回转弹簧，位于底板下。可用于计算柱的反屈点和水平位移。本计算仅限于计算柱脚的弹性刚性。

2.2例题：

1）设计简图如下（图2.1）

图2.1 柱脚计算简图

2）设计条件

轻钢门市刚架采用刚接柱脚，跨度24米，柱高11.1米，风荷载简化为作用在每榀柱顶端，其值采用标准值58.5KN。

方管柱：―，材料BCP325(冷压)，最低抗拉强度，屈服点

H型钢梁：H―600300/450300

柱脚受力：压力，剪力，弯矩

基础：混凝土设计基准强度(相当于混凝土强度等级C30）

锚栓：12-M42×1100(埋深)锚栓材料SNR490B，屈服点

锚栓计算长度：

锚板：FB-140×16扁钢制成回字形锚板框

底板：，材料SN490B，最低抗拉强度，屈服点，，

基础主筋：12-D25材料SD345，，抗拉强度

3）柱脚弹性刚性计算

设受拉锚栓数：，锚栓断面积

柱中心至受压柱翼缘外侧的距离：

柱中心至受拉锚栓群重心的距离：

锚栓材料的弹性模量

外露式柱脚的弹性刚性公式[2] [3]：

4)刚接柱脚的半刚性判定

钢柱塑性截面模量：

钢柱全塑性弯矩：

5）屈服状态下，柱脚最大承载力计算

柱脚可承受的最大弯矩

假定柱脚轴压力不变，仍为，求

基础混凝土的承压

混凝土最大压缩耐力

全部受拉锚栓屈服状态的耐力

=6×=2701

- (=11643)≥N(=1800)>- (=-2701)

全部受拉锚栓屈服状态的耐力：

由公式（2.1）：

所以可以定义为半刚性刚接柱脚，需要考虑柱脚转动对整体结构的影响。

5）半刚性柱脚对柱侧移的影响

《门市刚架轻钢结构技术规程》（CECS:2002）中刚接柱脚侧移计算公式

式中 h、L――分别为刚架柱高度和刚架跨度。

Ic、Ib ――分别为柱和横梁的平均惯性矩

H――刚架柱顶等效水平力，为58.5KN

带入式（2.9）

满足要求！

但是当引入柱脚半刚性进行计算时

由柱脚转动引起的柱脚转角为

由柱转角引起柱顶侧移为：

不满足要求！

3结论

由此例题可知柱脚引起的柱顶位移在门市刚架的整体侧向位移中占有相当的份额，如果忽略了柱脚的半刚性连接，将会使得结构设计的可靠性有所降低，所以应该引起足够的重视。

利用我国《门市刚架轻钢结构技术规程》（CECS:2002）计算柱顶侧移时，要预先判定刚接柱脚是否具有足够的抗弯刚度，如果抗弯刚度不足需要进一步判定柱脚的半刚性，如果满足半刚性公式规定则需要在原有侧移计算值的基础上增加柱脚转动带来的柱顶侧移，这样才能真正反映出结构真实的柱顶侧移量。

参考文献

[1]日本建筑协会. 钢结构节点设计指针.2001

[2]于安麟、永毓栋、郭在田、戴贤阳，露出型钢柱脚抗剪性能的研究(I)，工业建筑，

22(3),1992,24-26.

[3]于安麟、永毓栋、郭在田、戴贤阳，露出型钢柱脚抗剪性能的研究(II)，工业建筑，

22(5),1992,29-33.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。