改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法技术

改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法，可有效解决常用的外露式刚接柱脚构造方式难以满足“强节点、弱构件”设计原则（即柱脚连接节点难以满足抗震极限受弯承载力验算）的问题。该改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点具有构造简单、传力明确、方便施工等特点。对应此改进的连接节点提供的抗震极限受弯承载力验算方法，通过计算箱型钢柱全塑性受弯承载力M

【技术实现步骤摘要】
改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法


[0001]本专利技术涉及建筑钢结构领域，具体为改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法。

技术介绍

[0002]随着工业化及城市化的发展，钢结构技术在建筑领域的运用也得到了快速发展。钢结构由于拥有强度高、重量轻、塑性及韧性良好、整体变形能力强、工业化程度高、结构空间布置灵活、施工周期短等一系列优点，在工业厂房、仓库、超市、展馆、体育场馆等工业与民用建筑之中得到广泛应用。
[0003]钢结构中的柱脚是整个结构的重要节点，是将上部主体结构与基础连接的重要部分，柱脚连接节点必须能有效的将钢柱下端的轴力、剪力和弯矩传至基础，使钢柱与基础有效的连接在一起，确保上部结构承受各种外力作用。钢结构的柱脚连接节点是决定钢柱稳定承载力和刚度的关键节点，对整个钢结构起着十分重要的作用，在设计及施工中应给予充分重视。钢结构柱脚按照节点连接位置可划分为四种形式，分别为外露式柱脚、外包式柱脚、埋入式柱脚和插入式柱脚；钢结构柱脚按照节点连接传力情况可划分为铰接和刚接两大类。其中，外露式钢柱脚因其安装方便、可有效缩短施工周期以及造价低等优点是目前中低层建筑中应用最为广泛的柱脚形式之一；外露式柱脚与基础的连接有铰接和刚接之分，当要求外露式柱脚能有效的将钢柱下端的轴力、剪力和弯矩传至基础，外露式柱脚应按刚接设计及构造。在抗震设防地区的外露式刚接柱脚节点，应与上部结构的抗震性能目标一致，柱脚节点构造应符合“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点应满足抗震极限受弯承载力验算）。r/>[0004]现行的相关技术规范以及技术手册中给出的常用外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋螺栓组成柱脚）难以满足“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点难以满足抗震极限受弯承载力验算）。比如国标《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99
‑
2015)及《钢结构设计手册》中给出的常用外露式刚接柱脚构造方式（钢柱、柱脚底板、加劲肋、预埋螺栓组成柱脚）：
①
钢柱的基座混凝土浇筑前，将预埋螺栓进行定位预埋。
②
钢柱底部与钢柱脚底板及钢柱脚加劲肋焊接连接；钢柱脚底板上根据预埋螺栓在相应位置设置螺栓孔。
③
钢柱吊装时，预埋螺栓杆穿过钢柱脚底板上的螺栓孔，基座顶面与钢柱脚底板之间灌注无收缩砂浆，在穿过钢柱脚底板的预埋螺栓杆上套上钢垫板并拧紧双螺母。钢柱通过柱脚底板及预埋螺栓传力至混凝土基座。相关技术规范以及技术手册关于柱脚连接节点“强节点、弱构件”的设计原则（即柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算）要求应满足，为钢柱的全塑性受弯承载力，M
u
为柱脚连接节点抗震极限受弯承载力。在轴力和弯矩作用下按钢筋混凝土压弯构件截面设计方法计算得到，设截面面积为钢柱脚底板的面积，由受拉边的预埋螺栓单独承受拉力，混凝土基础单独承受压力，受压边螺栓不参加工作，锚栓和混凝土的强度均取标准值。的大小主要取决于受拉边的预埋锚栓的抗拉能力。对于前述常用的外露式刚接柱
式2： 当上述两式同时成立时，箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点的抗震极限受弯承载力验算通过。
[0011]当式1的验算不能满足时，应调整箱型钢柱的柱截面尺寸、预埋螺栓数量、预埋螺栓直径、预埋螺栓排布、柱脚底板与预埋件的预埋钢板间的角焊缝焊脚尺寸的设计及构造，重新验算直至式1成立。
[0012]当式2的验算不能满足时，应调整箱型钢柱的柱截面尺寸、预埋螺栓数量、预埋螺栓直径、预埋螺栓排布、锚筋数量、锚筋直径、锚筋排布的设计及构造，重新验算直至式2成立。
[0013]所述考虑轴力时箱型钢柱的全塑性受弯承载力根据式3及式4计算，单位为kN
·
m。
[0014]当N/N
y
≤0.13时，式3：；当N/N
y
＞0.13时，式4： ； ； ；
ꢀꢀ
；其中，N为箱型钢柱轴力设计值，单位为N；N
y
为箱型钢柱轴向屈服承载力，单位为N；A为箱型钢柱截面面积，单位为mm2；f
y
为箱型钢柱钢材的屈服强度，单位为N/mm2；M
p
为全塑性受弯承载力,单位为kN
·
m；W
p
为箱型钢柱塑性截面模量，单位为mm3；b为箱型钢柱截面的宽度，单位为mm；h为箱型钢柱截面的高度，单位为mm；t为箱型钢柱壁板的厚度，单位为mm。
[0015]所述箱型钢柱柱脚与钢筋混凝土基座上的预埋件连接的抗震极限受弯承载力根据式5及式6计算，单位为kN
·
m。
[0016]式5： 式6： M
u1
的计算方式：在箱型钢柱轴力与弯矩作用下，假设箱型钢柱柱脚通过预埋件与钢筋混凝土基座形成刚接连接的受力模型为“钢筋混凝土压弯构件”。假设的钢筋混凝土压弯构件截面尺寸取箱型钢柱的柱脚底板截面尺寸，由受拉边的预埋螺栓杆及钢柱脚底板与预埋件的预埋钢板间的角焊缝共同承受拉力，假设的钢筋混凝土压弯构件截面受压区混凝土单独承受压力，受压边的预埋螺栓不参加工作；考虑到实际受力状态与理论分析的偏差，偏安全的按预埋螺栓的强度取屈服强度f
y
，混凝土的抗压强度取标准值f
ck
，角焊缝的抗拉强度取极限值f
uf
。角焊缝在受拉区的最外侧，受拉应变最大，因此角焊缝按极限强度计算；预埋螺栓在角焊缝内侧，因此预埋螺栓偏安全的按屈服强度计算。
[0017]其中，N为箱型钢柱轴力设计值，单位为N；α1为系数，当基座混凝土强度等级不超过C50时，α1取为1.0,当基座混凝土强度等级为C80时，α1取为0.94，其间按线性内插法确定；f
ck
为钢筋混凝土基座的混凝土轴心抗压强度标准值，单位为N/mm2；b
a
为假设的钢筋混凝土
压弯构件截面垂直于弯矩作用方向的边长，可取箱型钢柱柱脚底板截面垂直于弯矩作用方向的边长，单位为mm；x为假设的钢筋混凝土压弯构件截面混凝土受压区高度，单位为mm；f
y
为预埋螺栓的屈服强度，单位为N/mm2；A
C
为单根预埋螺栓的截面有效面积，单位为mm2；n为受拉边的预埋螺栓根数；h
f
为钢柱脚底板与预埋件的预埋钢板之间的角焊缝焊脚尺寸，单位为mm；b为箱型钢柱柱脚底板截面垂直于弯矩作用方向的边长，单位为mm；f
uf
为角焊缝的抗拉强度极限值，单位为N/mm2；h0为假设的钢筋混凝土压弯构件截面平行于弯矩作用方向的有效高度，单位为mm。
[0018]所述预埋件与基座连接的抗震极限受弯承载力根据式7~式10计算，单位为kN
·
m。
[0019]式7： 式8： 式9： 式10： 取式7、式8两式得出的较小的M
u2
作为预埋件与基座连接的抗震极限受弯承载力M
u2
。M
u2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法，其特征在于，所述的改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点构造方式如下：箱型钢柱（1）底部与底板（3）焊接固定；加劲肋（2）与箱型钢柱（1）侧壁及底板（3）之间焊接固定；底板（3）上设置螺栓孔（4）；预埋钢板（5）与锚筋（6）采用T形焊接；预埋钢板（5）上开孔位置与柱脚底板（3）上的螺栓孔（4）匹配，将预埋螺栓（7）穿过预埋钢板（5）上的预留开孔后，将预埋螺栓（7）与预埋钢板（5）焊接连接；预埋螺栓（7）穿过并伸出预埋钢板（5）上方，用于后续安装固定箱型钢柱（1）；预埋钢板（5）、锚筋（6）及预埋螺栓（7）组成预埋件；箱型钢柱（1）的基座（8）混凝土浇筑前，将加工好的预埋件进行定位预埋；箱型钢柱（1）安装时，预埋螺栓（7）穿过钢柱（1）脚底板（3）上的螺栓孔（4）；箱型钢柱（1）安装就位后，在预埋螺栓（7）上套上钢垫板（9）并与底板（3）焊牢；在预埋螺栓（7）上拧紧双螺母（10）；底板（3）与预埋钢板（5）之间采用角焊缝四面围焊固定。2.根据权利要求1所述改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法，其特征在于，所述的对应这种改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚的抗震连接节点，提供该柱脚连接节点的抗震极限受弯承载力验算方法，验算方法包括如下步骤：（A）计算考虑轴力时箱型钢柱的全塑性受弯承载力 M
pc
；（B）计算箱型钢柱柱脚与钢筋混凝土基座上的预埋件连接的抗震极限受弯承载力；（C）计算预埋件与基座连接的抗震极限受弯承载力2；（D）箱型钢柱柱脚连接节点抗震极限受弯承载力验算判别： 式1：式2：当上述两式同时成立时，箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点的抗震极限受弯承载力验算通过；当式1的验算不能满足时，应调整箱型钢柱的柱截面尺寸、预埋螺栓数量、预埋螺栓直径、预埋螺栓排布、柱脚底板与预埋件的预埋钢板之间的角焊缝焊脚尺寸的设计及构造，重新验算直至式1成立；当式2的验算不能满足时，应调整箱型钢柱的柱截面尺寸、预埋螺栓数量、预埋螺栓直径、预埋螺栓排布、锚筋数量、锚筋直径、锚筋排布的设计及构造，重新验算直至式2成立。3.根据权利要求2所述改进的箱型钢柱外露式刚接柱脚抗震连接节点及验算方法，其特征在于，所述的箱型钢柱柱脚与钢筋混凝土基座上的预埋件连接的抗震极限受弯承载力根据式5及式6计算，单位为kN
·
m；式5： 式6： M
u1
的计算方式：在箱型钢柱轴力与弯矩作用下，假设箱型钢柱柱脚通过预埋件与钢筋混凝土基座形成刚接连接的受力模型为“钢筋混凝土压弯构件”；假设的钢筋混凝土压弯构件截面尺寸取箱型钢柱的柱脚底板截面尺寸，由受拉边的预
埋螺栓杆及钢柱脚底板与预埋件的预埋钢板之间的角焊缝共同承受拉力，假设的钢筋混凝土压弯构件截面受压区混凝土单独承受压力，受压边的预埋螺栓不参加工作；考虑到实际受力状态与理论分析的偏差，偏安全的按预埋螺栓的强度取屈服强度f

【专利技术属性】
技术研发人员：潘攀，韦彬，李鑫海，
申请(专利权)人：华蓝设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：