刚接钢柱脚的受力分析.docx

浙江建筑，第 29 卷，第 8 期，2012 年 8 月Zhejiang Construction，V 浙江建筑，第 29 卷，第 8 期，2012 年 8 月 Zhejiang Construction，Vol． 29，No． 8，Aug． 2012 刚接钢柱脚的受力分析 Force Analysis on Steel Column Base with Rigid Connection 赵滇生，潘高洁 ZHAO Dian-sheng，PAN Gao-jie ( 浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310014) 摘 要:采用有限元分析软件 ANSYS 对钢柱脚托板、加劲板、锚栓、基础和底板的相互作用进行了非线性分析，以便了解刚接 钢柱脚的受力性能，可供类似柱脚设计参考。 关键词:非线性有限元; 底板; 加劲板; 锚栓; 基础; 相互作用 中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1008 － 3707( 2012) 08 － 0014 － 05 随着我国社会经济的发展，钢结构大型体育场 馆、工业厂房、工业设备支架、住宅等大量涌现，其中 柱一般都是通过柱脚底板将内力扩散到混凝土基础 上［1］。多年来，柱脚底板均采用基于弹性薄板弯曲 理论下的简化计算方法，但这一假定忽略的有利因 素过多，未考虑底板与钢柱、加劲板、混凝土基础的 相互作用，致使计算结果底板厚度偏大。钢结构柱 脚底板一般可看成是混凝土基础上的受弯构件 － 梁 或板，其变形特征、底面反力和截面内力分布都与柱 脚底板、钢柱、加劲板和混凝土基础的相对刚度有关。 因此，应考虑柱脚底板与钢柱、加劲板、混凝土基础等 部件间的相互作用，合理分析柱脚的整体受力性能。 在目前的普通工业与民用建筑钢结构中，柱脚 一般与混凝土基础采用刚接。本文研究的刚接钢柱 脚构造以及荷载施加方式见图 1。 柱脚非线性有限元模型 1 柱脚模型主要参数 模型 的 钢 材 选 用 Q235-B 钢，屈 服 强 度 f 1． 1 = y 235 MPa，抗拉强度 f = 215 MPa，弹性模量 E = 2． 06 × 105 MPa，泊松比 μ = 0． 3。型钢柱截面尺寸为 H500 × 300 × 12 × 14; 托板与底板的尺寸均为 820 mm × 500 mm × 30 mm; 加劲板厚度均为 12 mm，具体尺寸见 图 1。选用 Q235 牌号的 M30 锚栓［2］。混凝土强度等 级为 C40，抗压强度标准值 fcu，k = 26． 8 MPa，抗拉强度标 准值 ftu，k = 2． 4 MPa，抗压强度设计值 fc = 19． 1 MPa，弹 性模量 Ec = 3． 25 × 10 MPa，泊松比 μ = 0． 2。混凝土基 础尺寸为 1 020 mm × 700 mm × 500 mm。 考虑到基础混凝土的变形主要属于小变形材料 非线性问题( 同时伴有几何非线性问题) ，根据《混 凝土结构设计规范( GB 50010—2010 ) 》规定［3］，混 凝土受压应力 － 应变关系曲线见图 2。 4 当 εc ≤ε0 时( 上升段) ，σc = fc ? 1 － ? 1 － 当 ε0 ＜ εc ≤εcu 时 ( 水平段) ，σc = fc 式中: fcu，k —混凝土立方体抗压强度标准值; ? n εc ? ε 0 n—参数，n = 2 － 1 ( f － 50) ≤2． 0; cu，k 60 图 1 刚接钢柱脚构造图 收稿日期:2012 － 03 － 21 作者简介:赵滇生( 1957—) ，男，浙江义乌人，副教授，研究方向为钢结构和空间结构。 ε0 —与峰值 fc 对应的应变值，ε0 = 0． 002 + 0． ε0 —与峰值 fc 对应的应变值，ε0 = 0． 002 + 0． 5 × 面和柔性面为接触面，分别设置接触对。根据接触 原理两者将密切贴紧，计算分析时所有应力分量和 位移分量将协调统一，并取钢与钢之间和钢与混凝 土之间的摩擦系数分别为 0． 35 和 0． 4。 模型中对 H 型钢柱取得相对较短，以避免钢柱 可能出现失稳对底板模型分析的影响。模型的施加 荷载方式采用位移加载，对混凝土基础底部施加节 点约束，在钢柱顶端施加轴向力，并在顶端截面的耦 合节点处施加水平位移荷载。不考虑钢材的强度硬 化，简化为理想的弹塑性材料，因而柱脚节点采用 Von Mises 等效应力强度作为屈服破坏的依据。 ( fcu，k － 50) × 10 － 5 ≥0． 002，当计算值ε0 ＜ 0． 002 时，取 0． 002; εcu —正截 面 混 凝 土 的 极 限 压 应 变，εcu = 0. 003 3 － ( fcu，k － 50 ) × 10 －