钢柱脚锚栓的设计方法

7.6.1 柱脚底板厚度的确定

情况1. 柱无外伸加劲肋的部分（图a），此时只有一条 塑性绞线，因此柱脚底板的厚度为：
tp 6 Nt e f 0.5bf
式中，Nt为一个锚栓承受的拉力
7.6.1 柱脚底板厚度的确定

情况2:两相邻边支承的板
ef ew ef c ew d ef ew ef c ew d
7.5 单个螺栓承载力总结

1.前文介绍的各种方法都有其合理的地方。 2.我国锚栓的强度设计值仅为欧美等国家的2/3～3/4。 3.我们国家规定不考虑锚栓抗剪，相反，英国有只能抗剪不能抗


拉的锚栓。

4.在多少锚栓参与抗剪的问题上，存在不同的做法，它与锚栓的
构造有关。
7.5 单个螺栓承载力总结
锚栓直径较小（≤Φ36）的情况：如下图（a） 锚栓直径较大（≥Φ36）的情况：如下图（b）
7.2 国内外对锚栓的研究概况

国内研究情况 静力性能 目前的柱脚设计方法以文献[1]（李德滋.钢柱柱脚锚栓 的应力分析和设计）为基础。
（1）李德滋
（2）于安麟
抗震性能
文献[6-8]是在柱脚滞回曲线试验研究基础上提出了确 定整个柱脚节点抗弯和抗剪承载力的方法。
tp
4ce
3be f Nt
f
b 2 4e2 f f

情况4：四边支承的区块：
tp cNt
f
b2c b2e f f
7.7 基于极限状态的柱脚设计方法

下图给出了三种柱脚，受压区分成三个区块，平衡条 件如下：
C1b1 C2b2 C3b3 N 0.5hs e f M
调，因此栓钉的承载力很可能不能得到很好的发挥。
因此设计时，如果不采取其他措施，钢柱柱底的混凝土仍然起到 主要的传递轴力给混凝土的作用。
7.9.1 中柱的埋入式柱脚

2.弯矩和水平剪力的传递
7.9.1 中柱的埋入式柱脚


中柱柱脚的设计步骤:
(1)埋深。 (2)混凝土外皮离开柱的最小距离应大于等于250mm. (3)包脚高度内栓钉的布置。 (4)钢柱周围的竖向架立钢筋，四角应取不小于4φ20。 (5)柱底板的计算。 (6)箍筋的布置。 (7)按照右图的计算模型，计算边
tp
e f c e f bew 0.5be2 f / ew f
6 Nt ewe f
tp
2 e f c 2e f ew / e f 0.5bew f
6 Nt ewe f
7.6.1 柱脚底板厚度的确定

情况3：三边支承的板块（如 图d）：

底部混凝土承受的压力：
Nc Ec Ac cosh l 1 N cosh l Ec Ac Es As
7.8.3 外包式柱脚的设计方法

1.包脚刚度：H形截面柱，以2.5倍柱高为宜，上下允许浮动 10%；箱型截面柱和矩形钢管混凝土截面柱，以3倍柱高为宜， 上下允许浮动10%，向下浮动时，构造措施要加强。 2.在包脚高度范围内应按照构造要求，尽量多地布置栓钉，栓 钉直径为19或22，不宜更小。 3.钢柱底板厚度的确定。
7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法

3.于安麟等建议的方法
Vmax 0.4 Ty N n0 Ae fy 3

4.按照普通螺栓的拉剪联合作用曲线
N v Nt b b 1 N v Nt
2 2
取抗剪和抗拉强度设计值与普通螺栓完全相同。
C1 C2 C3 N Z
7.8 外包式柱脚设计

外包式刚接柱脚 将钢柱用混凝土包起来形成的柱脚。
7.8.1 外包式柱脚及其传力分析

外包式柱脚传力分析：

1.轴力的传递（如右图所示）。
由于布置了锚钉，在向下的钢柱轴 力作用下，必然会有一部分轴力传递到 混凝土上，因此钢柱轴力向下逐渐变小， 而混凝土内轴力逐渐变大。



7.1 锚栓的类型

欧美国家主张避免在锚栓端头上设置金属板来提高抗拔出 强度。 原因： （1）端头钢板所起的作用仅仅是从锚栓中心线向外延展 被拔出的圆锥体，这对增强锚栓抗拉承载力所起的作用与 增加埋深是一样的； （2）后者的制作成本更低。

7.1 锚栓的类型

英国广泛采用基础上带预留孔的灌注锚栓。
7.8.1 外包式柱脚及其传力分析


2.弯矩的传递（如右图所示）
研究表明：钢柱外包混凝土的柱脚， 即使在弹性阶段，两者的共同作用不
能采用钢-混凝土组合构件理论来解
决，因为外包混凝土顶部，由混凝土 承受的弯矩等于0，但是组合构件理
论要求钢和混凝土两者曲率相同，导
致混凝土顶部理论上有弯矩而实际上 没弯矩。
7.8.1 外包式柱脚及其传力分析

3.剪力的分布
柱承受的总剪力是Q,按照常
理，钢柱和外包混凝土各承担 一部分，但通过右图d所示发现，
外包混凝土承担的剪力要比钢
柱承担的剪力还要大,其值为:
Qc M hr
从弯矩和剪力的传递看，外包混凝土应看成是钢柱的支座，而 不应被看成与钢柱共同工作的一部分。
7.8.2 外包式柱脚中轴力的传递

5.锚栓的抗剪强度设计值应该取多大？存在不同的观点。

6.锚栓抗剪和摩擦力抗剪是否能同时考虑？ 英国 美国 李德滋 不考虑摩擦力抗剪 同时考虑锚栓抗剪和摩擦力 超过摩擦力的部分由锚栓抗剪
7.6 锚栓内力的计算

各种计算方法采用不同的混凝土压应力分布曲线。 确定分布曲线后，可以建立两个平衡方程:
7.2 国内外对锚栓的研究概况

国外研究情况 国外更加关注单个锚栓的承载力，破坏方式等，对第 二方面的研究却很少。 美国ACI349-85《核能结构规范》附录B对锚栓的计算 和设置有详细的要求，还专门编制了锚栓的设计导则。
7.2.1 锚栓仅受拉力的情况

1.锚栓杆达到抗拉承载力极限。（希望的破坏形式）锚 栓拉断承载力为：
缘混凝土的最大压力，要求不超过 混凝土的抗压强度。
7.9.2 边柱和角柱：抵抗水平冲切
7.9.3 基础竖向冲切不够的处理
Tul f y Ae

2.基础混凝土与锚杆的粘结破坏 。取粘结应力与混凝土 抗拉强度 f t 相同， 则有：
Tu 2 ld dft
7.2.1 锚栓仅受拉力的情况

3. 圆锥形混凝土达到抗拉承载极限 单个锚栓：采用水平投影面进行计 算，混凝土抗拉力计算简化为
Tu3 0.66 ft ld d0 / 2 ld
N 2 fc Ac


选择 tp，直到上式满足为止
7.8.3 外包式柱脚的设计方法

4.如果底板厚度太大，则允许分配一部分钢柱压力到混凝土，分配的 比例按照式（7-44）计算。 5.栓钉数量的验算。



6.钢柱底板伸出柱边长度以及开孔布置。
7.计算外包混凝土中的配筋。 8.如果已经分配一部分柱压力到外包的混凝土，则还要验算外包混凝 土中的压应力。 9.柱脚抗剪计算 10.对于抗剪设计的结构，按照强剪弱弯的原则，即按照式（7-37）计 算出外包混凝土承担的剪力。

7.9 埋入式钢柱脚的传力分析与设计

埋入式钢柱脚的构造
7.9.1 中柱的埋入式柱脚

1.轴力的传递
埋入式柱脚轴力的传递与外包式柱脚没有本质的区别，只是此时 参与传力的混凝土面积有所增加。由于栓钉属于柔性连接件，达到其 极限抗滑移承载能力之前要经受较大的变形，而与组合梁不同的是， 这里钢柱脚底部下面也是钢筋混凝土，它不能与栓钉破坏时的变形协
4. 国外研究的结论 5. 英国的方法 6. 美国的核工业结构预埋件设计规定
7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法

1.李德滋教授推荐的计算方法
b N t 1.25 N t 1.6 N v
b Nt N t

2.美国ACI349-85计算方法
CNv Nt Ae f y
qu ks0 kN sinh l sinh x cosh x Es As cosh l

底部截面钢柱轴力:
1 cosh l 1 N s N 1 1 E A / E A cosh l s s c c
锚栓群：考虑各锚栓破坏锥体相互 重叠的情况
Tu 3 0.66 ft Ace
7.2.2 锚栓仅剪力的情况
剪力由锚栓通过承压传给周围混凝土，剪力使锚栓受弯，锚栓弯 曲使混凝土压碎。试验表明，若不存在底板，高度约为螺栓直径1/4 的楔形混凝土块能自由形成并完全破碎。
7.2.2 锚栓既受拉力又受剪力的情况
h R h0 N e h0 2
或
h Z h0 M N c 2

式中，R为混凝土的压应力合力，e=M/N，h0为锚栓至压力
最大侧底板边的距离。

有三个未知量（锚栓拉力z，混凝土最大压应力σ和混凝土受 压边长度x，必须建立第三个方程才能求解。
钢柱脚锚栓的设计方法
主要内容

7.1 锚栓的类型 7.2 国内外对锚栓研究的概况


7.3 锚栓抗剪的计算方法
7.4 锚栓抗拉和抗剪计算方法 7.5 单个螺栓承载力总结 7.6 锚栓内力计算 7.7 基于极限状态的柱脚设计方法
7.8 外包式柱脚设计
7.9 埋入式钢柱脚的传力分析与设计
7.1 锚栓的类型

锚栓分为：钻孔锚栓和灌注锚栓。本章主要介绍灌注锚栓 。