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管混凝土(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。

外包式柱脚如图 1 所示,外包高度应满足一定的要求,钢柱表面有栓钉,纵筋从混凝土基础往上伸,按照混凝土梁柱的箍筋加密区要求布置箍筋,且顶部 3 道箍筋要焊接封闭箍,将间距进一步减小到50 mm。

图 1 外包式柱脚

让人困惑的地方是:外包混凝土是钢柱的支座还是与钢截面共同工作的、即类似于 SRC 柱(劲性混凝土柱)的一种柱脚?

解开迷团的方法是取隔离体:把钢与混凝土界面的作用力暴露出来。如图 2 所示,界面作用力分成两类:一是竖向切向力 q_u ,与柱轴线平行;二是与柱轴线垂直的分量,包括前端的法向力 p₁ ,背面的栓钉拉力 T₁ 和两侧的剪切应力 τ₁ 。

a—外包混凝土隔离体; b—钢柱隔离体; c—隔离体水平剖面。

图 2 钢柱与外包混凝土的相互作用 

在钢梁的翼缘和腹板之间的焊缝中,焊缝承担平行于翼缘的剪应力,该焊缝剪应力促使钢梁的翼缘和腹板共同工作。因此,钢柱表面纵向切向力 q_u 是促使外包混凝土与钢柱共同工作的,它使外包式柱脚的性能向 SRC 柱靠拢。

纵向切向力 q_u 将钢柱内的部分轴力传递给外包混凝土,与钢柱轴线垂直的力( p₁ ,T₁ ,τ₁ ) 将剪力(记为 R₁ )传给外包混凝土。因此,增加栓钉数量使 q_u 增大,能够更好地促使外包混凝土与钢柱共同工作,故设计时应尽量多布置栓钉。

布置栓钉的另一个好处是,增加了从钢柱向外包层扩散轴力的能力,使柱底混凝土局部承压的负担减轻。栓钉使外包层获得轴力,改善了混凝土外包层的抗剪强度,推迟外包层剪切斜裂缝的开展。

q_u 和( p₁ , t₁ , τ₁ ) 共同抵抗弯矩,假设钢柱底部弯矩为 M_s,b ,( p₁ , t₁ , τ₁ )的合力为 R₁ ,合力作用点离柱底距离为 h′_r,M_qu 是纵向剪力的合力矩,则:

式中: H 为底层钢柱的反弯点到柱脚底板的距离; Q为钢柱内的剪力 h_s 为钢柱截面高度; ψ 为弯矩比例参数。在栓钉的配置与外包层内纵向钢筋等强的情况下,参数 ψ 可以近似表达为: 

式中: h_tc 是受拉区钢筋拉力到受压区混凝土压力合力作用点的距离。

几何量的意义见图 2。因此,外包混凝土的剪力为:

在极限状态下假设:

式中: h_r 为外包层的高度,代入式 (3) 得到外包混凝土内的剪力:

式(5)提出了外包层的剪力 R₁ 不大于钢柱剪力 Q 的要求,这是保证钢柱和外包层共同工作的最低要求,因为如果出现 R₁ > Q ,则表示外包层是钢柱的支座这种成分开始占主导。

如果认为外包层完全是钢柱的支座 (图 3a) ,即完全忽略了界面纵向剪力 q_u 的作用,也不考虑钢柱脚自身的抗弯承载力,则外包层内的剪力 R₁ 为: 

可见,式 (6) 给出的剪力远大于 Q 。

a—内壁无界面力; b—内壁有界面力。

图 3 内壁有无界面力时外包层剪力比较

因此,设置栓钉后界面纵向力增大,传递给混凝土的水平力就可以减小。式 (5) 可以作为外包混凝土高度的最低要求,栓钉数量 n_si 取式 (7) 计算得到的两个数中的较大值:一个面上的栓钉数量应与这个面对应的混凝土(面积 A_ci ) 以及与这个面对应的纵向钢筋(面积 A_gi )等强: 

式中:为一颗栓钉的承载力。

在钢柱表面多布置栓钉,使外包层内的剪力小于外剪力,即可使外包式柱脚更接近 SRC 柱;为此,栓钉数量应满足式 (7) ,外包高度应满足式 (5) 。

知识点：外包式柱脚解剖分析

外包式刚性柱脚