肖志建，李開元，朱子平，莫秋榮

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300022）

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系船柱抗剪設(shè)計的探討

肖志建，李開元，朱子平，莫秋榮

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300022）

摘要：本文對工民建行業(yè)外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪設(shè)計理論進行了詳細介紹。結(jié)合系船柱構(gòu)造及工作特點，建議在進行系船柱抗剪設(shè)計時，忽略底盤摩擦力及錨栓抗剪的影響。以系船柱各部件受力明確及充分發(fā)揮其材料性能為思路，提出設(shè)置專門抗剪措施的設(shè)計方案。為系船柱的抗剪設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：系船柱；抗剪設(shè)計；受力明確

引 言

系船柱在工作過程中承受很大的水平力，除了受彎以外其抗剪設(shè)計應(yīng)給予充分重視?，F(xiàn)有系船柱通用圖編制說明[1]（以下簡稱編制說明）并未就構(gòu)件抗剪進行驗算。相關(guān)行業(yè)規(guī)范[2]對系船柱的主體計算作出了規(guī)定,而對底面抗剪驗算并未作出要求。工民建外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計中對于柱腳底面抗剪性能進行了詳細的研究，但關(guān)于錨栓抗剪有較大的分歧，同時規(guī)范[3,4]就此問題作出了推薦性的規(guī)定。目前，外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪設(shè)計習(xí)慣性做法為柱底設(shè)置抗剪鍵。本文認為可以借鑒外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪設(shè)計的方法，對系船柱抗剪進行設(shè)計。

1 通用圖[5]系船柱抗剪性能分析

圖1 系船柱結(jié)構(gòu)示意

由通用圖中系船柱的組成可知，其需驗算的抗剪部位主要在柱體、底盤與基礎(chǔ)接觸處。柱體受力明確，驗算較為簡單,本文不作討論。底盤與基礎(chǔ)面存在接觸問題，且此處錨栓將柱殼與混凝土基礎(chǔ)連接，此處受力復(fù)雜。系船柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由編制說明及現(xiàn)行規(guī)范可以看出，在水運工程系船柱設(shè)計時并未對底盤與基礎(chǔ)接觸位置處抗剪驗算給予重視，同時沒有進行專門的抗剪設(shè)計。在安裝上規(guī)范建議系船柱底盤的上表面宜與碼頭面齊平。由圖1可以看出，在系船柱底盤的上表面與碼頭面齊平時，提供抗剪力主要來源有：底盤前面混凝土壓應(yīng)力、柱底面與混凝土的摩擦力、錨栓抗剪；若系船柱底盤下表面與碼頭面齊平時，提供抗剪力主要來源則少了底盤前面混凝土壓應(yīng)力。底盤安裝位置的不同，系船柱的抗剪性能會有很大的差異。

2 外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪設(shè)計

外露式鋼結(jié)構(gòu)柱腳抗剪設(shè)計中，習(xí)慣上首先考慮由底板和混凝土基礎(chǔ)之間的摩擦力來抵抗，不足時采用柱底設(shè)置抗剪鍵，而不利用柱腳錨栓承受柱腳底部的水平剪力。對于這種不考慮錨栓參與抗剪性能的作法，在業(yè)內(nèi)有很大的爭議，相關(guān)文獻也對錨栓參加抗剪進行了研究，對抗剪承載力計算也給出了相應(yīng)的研究成果。埋設(shè)抗剪鍵柱腳如圖2所示。

圖2 抗剪鍵柱腳示意

2.1 規(guī)范規(guī)定及抗剪鍵常規(guī)作法

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[3,4]中對柱腳錨栓不承受水平力做了推薦性的規(guī)定，同時推薦采用底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力或設(shè)置抗剪鍵承受水平力?？辜翩I受力機理為：利用自身與基礎(chǔ)混凝土的接觸承壓來平衡柱底剪力。此設(shè)計理念不考慮錨栓承受水平力可使錨栓受力明晰，充分發(fā)揮錨栓的抗拉性能，但是采用抗剪鍵設(shè)計方式時，施工工藝相對復(fù)雜。目前習(xí)慣做法如圖2，抗剪鍵一般采用型鋼或鋼板，一端預(yù)先焊接在柱底板下，基礎(chǔ)混凝土頂面需要預(yù)留槽位以插入抗剪鍵，柱子安裝定位后，將槽內(nèi)二次澆注微膨脹細石混凝土。

2.2 錨栓參與抗剪的柱腳抗剪計算理論

在柱腳不設(shè)置抗剪鍵時，柱腳的抗剪能力主要分為2部分：一部分是柱腳底板與基礎(chǔ)混凝土之間摩擦力，另一部分是錨栓與基礎(chǔ)組成的系統(tǒng)提供的抗剪力。國內(nèi)外許多學(xué)者對無抗剪鍵柱腳的錨栓參與抗剪的計算進行研究，形成如下幾種方法。

1）李德滋建議的方法[6]

認為當(dāng)柱腳承受的水平力大于柱腳底板與基礎(chǔ)混凝土的摩擦力時，錨栓參與抗剪。此時錨栓的設(shè)計強度與粗制螺栓相同。給出了錨栓在拉力和剪力共同作用下的錨栓強度驗算公式：

2）于安麟等建議的方法[7]

認為受拉側(cè)錨栓屈服時，柱腳所能承受的水平力為柱腳抗剪承載力。在計算時僅考慮受壓側(cè)錨栓抗剪并達到屈服，忽略受拉側(cè)錨栓受力。結(jié)合試驗給出鋼柱腳抗剪承載力的具體表達式：

3）李維平建議的方法[8]

認為受拉側(cè)錨栓是承受剪力且剪力在錨栓間平均分配，以材料破壞的第四強度準(zhǔn)則對受拉錨栓進行強度驗算。柱腳抗剪承載力是以受拉錨栓達到屈服為標(biāo)志，驗算公式為：

式中：n1為受拉側(cè)錨栓的數(shù)目；n2為參與受剪錨栓的數(shù)目；為受拉側(cè)單根錨栓剪應(yīng)力；為受拉側(cè)單根錨栓拉應(yīng)力。

4）英國的方法[9]

完全忽略柱腳底板與基礎(chǔ)混凝土的摩擦力的作用，將錨栓看作普通螺栓，設(shè)計指標(biāo)與普通螺栓相同，即：

式中，Nvb

、Ntb、Ncb分別為單根錨栓受剪、受拉和承壓承載力設(shè)計值。

5）規(guī)范[10]的計算方法

8.14.3條給出了由錨板和對稱配置的直錨筋所組成的受力預(yù)埋件，在承受剪力、法向拉力和彎矩及剪力、法向壓力和彎矩作用時，錨筋截面總面積的計算公式。在計算公式中，也考慮了錨筋承受的剪力。其公式是根據(jù)試驗研究的成果提出的半理論半經(jīng)驗公式，可以作為類似柱腳計算的參考。

2.3 小結(jié)

由以上錨栓參與抗剪的柱腳抗剪理論可以看出如下幾點：

1）摩擦力是否能參與抗剪，方法四不考慮底板與混凝土的摩擦力，方法1~3考慮了摩擦力的抗剪貢獻。

2）錨栓抗拉強度的取值，方法1、4認為取同普通螺栓的強度設(shè)計值，其余方法取做錨栓材料屈服強度的設(shè)計值。

3）剪力在錨栓間分配的問題，當(dāng)柱底板上開孔比較大、預(yù)埋錨栓位置不準(zhǔn)時，會導(dǎo)致不是所有錨栓同時與底板接觸承壓，錨栓群可能會逐一剪壞；通常采取墊板與柱底板滿焊的措施，來保證所有錨栓參與抗剪。

理想的柱腳破壞模式是以錨栓屈服為標(biāo)志。在這種破壞模式下，要實現(xiàn)對錨栓進行強度驗算，首先要確定受拉錨栓的受力狀態(tài)，即確定柱底與基礎(chǔ)的摩擦力及確定剪力在錨栓間的分布。由目前的研究來看，由于影響因素較多，確定受拉錨栓的受力狀態(tài)并未形成統(tǒng)一的共識。

3 推薦系船柱抗剪設(shè)計方案

由編制說明可知系船柱設(shè)計時沒有采取錨栓同時承受剪力的措施。摩擦力取決于摩擦系數(shù)與垂向壓力，其底盤與定位板之間的摩擦系數(shù)受粗糙度等因素影響，底盤受壓區(qū)所承受壓力取決于系船柱的受力狀態(tài)。結(jié)合系船柱的受力狀態(tài)的多樣性，要確定摩擦力及錨栓承受剪力有太多的不可控的因素。本文認為在抗剪設(shè)計時，宜忽略摩擦力及錨栓抗剪的影響。另一方面現(xiàn)系船柱底盤厚度（特別是大等級）比鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板厚度大許多。底盤與基礎(chǔ)表面的位置，對系船柱抗剪能力的影響則不能忽略。

3.1 系船柱底盤的上表面與碼頭面齊平時抗剪

由于此時底盤嵌入在碼頭面混凝土內(nèi)，其機理類似于鋼柱腳底板下設(shè)置抗剪鍵，由底盤與碼頭面混凝土的接觸壓力來平衡系船柱承受的剪力。假定底盤與碼頭面混凝土的接觸壓力均勻分布。若系船柱周圍碼頭面混凝土內(nèi)合理配置鋼筋，參照規(guī)范[10]5.8節(jié)進行局部受壓承載力驗算，其局部受壓區(qū)的截面尺寸需滿足下式：

根據(jù)間接鋼筋的配置方式，局部受壓承載力參照規(guī)范[10]5.8.3條進行驗算：

若系船柱周圍碼頭面混凝土未配置鋼筋，參照規(guī)范[10]附錄A.4.1條提供的素混凝土局部受壓承載力進行驗算：

針對通用圖中1 500 kN方底盤鑄鐵系船柱進行計算。其底盤尺寸如下：。碼頭面混凝土等級為C30，忽略混凝土局部受壓的強度提高的影響，計算中相關(guān)參數(shù)取：。系船柱所承受最大剪力設(shè)計值。代入（8）式右側(cè)得3 764.5 kN，可知局部受壓區(qū)的截面尺寸滿足要求。由式（10）可得素混凝土局部受壓承載力為1 742.8 kN。由上述驗算結(jié)果可知：素混凝土局部受壓承載力不能滿足抗剪要求，需通過式（9）驗算在碼頭面混凝土內(nèi)的配筋，使混凝土局部受壓承載力滿足系船柱的抗剪要求。對于圓底盤系船柱底盤的上表面與碼頭面齊平時，其抗剪承載力計算方法同方底盤，但是混凝土局部受壓凈面積計算較為復(fù)雜。

3.2 系船柱底盤的下表面與碼頭面齊平時抗剪

在此安裝方式下，結(jié)合規(guī)范[3]的相關(guān)規(guī)定及系船柱本身的工作特點，建議在系船柱底盤下設(shè)置承受水平力的抗剪鍵來滿足系船柱抗剪要求。由于系船柱屬于鑄造構(gòu)件，可將下部的抗剪鍵一起鑄造成型?？辜翩I的設(shè)計可根據(jù)所承受的水平力進行設(shè)計，需進行抗剪鍵截面強度及混凝土局部承壓的驗算。施工時，同樣采用預(yù)留槽位，安裝完成后二次澆注微膨脹細石混凝土的方式。這樣可以使系船柱各部件受力明確，充分發(fā)揮各部件的材料特性。

4 結(jié) 論

對工民建行業(yè)外露式剛性柱腳中錨栓參與抗剪的計算方法介紹中可知：對錨栓參與抗剪上存在很大的爭議。結(jié)合系船柱的構(gòu)造及工作特點，認為底盤與基礎(chǔ)接觸位置處抗剪驗算應(yīng)給予重視。從系船柱各部件受力明確及充分利用錨栓性能的角度，建議在系船柱抗剪設(shè)計時，宜忽略摩擦力及錨栓抗剪的影響。同時針對系船柱不同的安裝方式提出:系船柱底盤的上表面與碼頭面齊平時，可考慮底盤與碼頭面混凝土的作用來平衡系船柱承受的剪力；系船柱底盤的下表面與碼頭面齊平時，須設(shè)計抗剪鍵來滿足系船柱的抗剪要求?？紤]到碼頭面層在使用過程中磨耗常常較為嚴重及系船柱抗剪的受力需要，建議在利用底盤與碼頭面混凝土的作用來平衡系船柱承受的剪力時，在系船柱周圍局部碼頭面層內(nèi)合理配置鋼筋。

參考文獻：

[1] 水運規(guī)劃設(shè)計院技術(shù)管理室. 系船柱構(gòu)件通用設(shè)計編制說明[M]. 1978, 12.

[2] JTJ 297-2001碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 2012.

[5] 交通部水運規(guī)劃設(shè)計院. GJ-33 1977系船柱通用圖[M].

[6] 童根樹. 鋼柱腳單個錨栓的承載力設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2004(2): 10-14.

[7] 于安麟. 露出型鋼柱腳抗剪性能的研究(Ⅱ )[J]. 工業(yè)建筑, 1992(6): 29-33.

[8] 李維平. 露出型鋼柱腳抗剪性能的理論與試驗研究[J].鋼結(jié)構(gòu), 2007(1): 45-48.

[9] 楊秀英. 柱腳錨栓抗剪性能的分析方法. 工業(yè)建筑, 2004(S1): 920-924.

[10] JTS 151-2011水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Discussion on Bollard Shear-resistance Design

Xiao Zhijian, Li Kaiyuan, Zhu Ziping, Mo Qiurong
(CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300022, China)

Abstract:A detailed introduction has been given to the shear-resistance design theory for the exposed steel structure toes of industrial and civil building. Based on bollard structure and features, it is suggested to ignore the effects of bottom head friction and shear bolt in the bollard shear-resistance design, and propose a design plan that includes special shear-resistance measures from the aspects of clarifying the stress on structural members of the bollard and making good use of materials, which will provide a reference for bollard shear-resistance design.

Key words:bollards; shear-resistance design; stress clarifying

作者簡介：肖志建（1982-），男，注冊土木工程師（港口與航道工程），主要從事港口航道結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

收稿日期：2015-05-21

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160107

中圖分類號：U653.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0030-04