钢结构柱脚是连接上部结构和基础的关键传力部件,柱脚节点的连接性能对结构和构件的受力有重要的影响,其中,平板柱脚在门刚厂房中应用广泛,其常规的做法是柱脚底板通过2个或4个锚栓与基础直接相连,这种柱脚构造简单,便于施工,且在设计中常常简化为铰接柱脚,如图1所示。
图1 平板柱脚做法示意图
但是有一种特殊的情况,如图2、图3所示,某钢支架结构角柱,其下端通过柱脚底板和4个锚栓与基础相连,而其上端为自由端,柱顶在两个方向均无有效的侧向约束。此时,如果柱脚简化为铰接柱脚,则该角柱将成为机动构件,无法进行下一步的计算和设计,所以有必要确定该柱脚实际的约束条件。
图2 上端自由角柱示意图
图3 柱脚示意图
因此,采用Abaqus创建柱实体模型,进行特征值屈曲分析和后屈曲分析,以确定柱的计算长度系数,并确定柱脚的约束条件,计算模型如图4所示。
图4 Abaqus分析模型
01
基本信息
角柱采用圆管截面,规格为P402×12mm,柱高7.5m,柱脚底板厚度24mm,加劲板厚度为12mm,钢材牌号均为Q235;锚栓规格为φ24mm,钢材牌号为Q345。
02
特征值屈曲分析
首先,对柱进行特征值屈曲分析。根据计算结果,柱第1阶失稳模态为整体侧移失稳,如图5所示,对应的屈曲因子3.58,得到临界荷载
按压杆稳定欧拉公式反推得到柱的计算长度系数,
经计算得:
即小于一端嵌固一端自由柱的计算长度系数,也就是说柱脚实际的约束条件接近固结,才能得到上述的结果,下面进行进一步验证。
图5 第1阶失稳模态正视图和俯视图
03
非线性稳定全过程分析
接着,对柱进行非线性稳定全过程分析,计算时,同时考虑几何非线性和材料非线性,并考虑H/1000的初始几何缺陷。根据计算结果,绘出柱的荷载-位移全过程曲线,如图6所示,得到柱稳定极限荷载
柱在稳定极限状态时,柱子除柱脚部位个别应力集中点外,绝大部分区域的应力在215MPa以下,处于弹性状态,所以可以继续反推柱的计算长度系数,得到
略大于一端嵌固一端自由柱的计算长度系数。
图6 柱的荷载-位移全过程曲线
04
结论
通过以上分析,可以看出:由于柱承受了较大的轴力,柱脚弯矩相对较小,柱在失稳前,柱脚底板和基础顶面之间始终紧密贴合,此状态下柱脚接近固结约束,并非传统设计中假定的铰接柱脚。因此,柱的计算长度系数可取为2.08。至此,确定了该角柱柱脚的约束条件和柱的计算长度系数,为后续的结构计算和构件设计提供了依据。