抗剪键计算

抗压强度设计值 ;ε0 为混凝土轴心受压极限压应变
(一般取 0. 002) [8] ; b 为抗剪键的宽度 ; l 为基础混凝
土沿受力方向的计算长度 ,一般取 3 b 与抗剪键到基
础边缘距离两者中的较小值[7] .
式 (2) 可简化为
d4 y d x4
+
k1
d2 y d x2
-
k2 y = 0.
(3)
剪 ,水平力应由底板和混凝土之间的摩擦力或设置 抗剪键来承担[2] . 对于这条规定有两个问题值得思 考 :一是柱脚锚栓不能参加抗剪的问题 ,许多研究工 作都提出柱脚锚栓是具有一定抗剪能力的 ,国外甚 至有只能抗剪而不能抗拉的锚栓 ,并提出了一些用 于考虑锚栓抗剪的设计公式[326] ;二是若需设置抗剪 键 ,该如何设置的问题 ,我国规范和欧洲规范都没有 给出具体的设计公式 ,对这方面的研究工作也很少 , 在实际设计工作中常常是凭工程经验确定的.
y (0) = 0 , y″(0) = 0 , y ( h) =δ= εl 0 , y′( h) = 0 , 可解得
C1 = - μδ(eμh + e - μh ) /τ, C2 = 0 C3 = - λδco s (λh) /τ, C4 =λδco s (λh) /τ τ=μ(eμh + e - μh ) sin (λh) +λ(e - μh - eμh ) co s (λh) .
EI
d4 y d x4
+
E I d2 p1 k′A G d x2
=
fcb
εl 0
y
.
(2)
式中 : E I 为抗剪键的抗弯刚度 ; G 为剪切模量 ; k’A
为有效剪切面积 ,其中 k’为截面有效剪切系数 (与断

１ 应力计算模型
抗剪键是指设置在钢结构底部柱脚处，焊接在底板下用于抵抗上部水平剪力的构件，常见的抗剪键由钢 板、角钢或槽钢等组成．对底盘结构，通常由抗剪键和锚固螺栓共同抵抗上部结构传递来的荷载，其布置如图 １所示．锚固螺栓仅承担上部结构传递的弯矩，不能抵抗剪力作用，而剪力则由抗剪键承担．当抗剪键距离混 凝土边缘过近（约为 １２０倍抗剪键外径）时，则需布置 Ｕ型钢筋，以防发生冲切破坏．
对如何设置抗剪键问题，我国规范仅要求当水平剪力超过 ０．４倍的竖向荷载时应设置抗剪键［１］，但并 未给出具体的设计要求及计算式，同时欧洲规范也没有给出具体设计的计算方法．目前，国内现行钢结构设 计规范和欧洲规范对如何设计大地盘结构底部抗剪键及设置抗剪键后具有多少抗剪承载能力等问题，均未 给出具体的设计计算公式，对此方面的研究报道也相对较少，仅凭以往工程经验确定．因此，实际工作中存在 诸多类似问题有待解决．对此，本文基于欧洲规范，在考虑混凝土与抗剪键协同作用的假设下，拟从混凝土抗 压、材料自身抗弯及焊缝抗剪等 ３个方面推导抗剪键抗剪承载力设计计算公式，归纳总结其构造措施和相关 要求，并以某核电工程的燃料厂房烟囱设计为示例进行验证计算，以供工程设计参考．
第 ３６卷 第 ２期 ２０１９年 ４月
吉 林 建 筑 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１８
基于欧洲规范的圆形抗剪键设计方法
刘远达，徐 曼
中国核电工程有限公司，北京 １００８４０
摘要：本文基于欧洲标准，对其圆形抗剪键设计的计算模型、埋深设计及设计准则进行了综述分析，并通过某实际工程示例验 证了上述设计计算，以为抗剪力键工程设计提供借鉴参考． 关键词：欧洲标准，圆形抗剪键，混凝土准则，截面准则，埋深设计 中图分类号：ＴＵ３１２．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５－８９１９（２０１９）０２－００１８－０５

关 键 词 :钢柱脚,抗 剪 键 ，承载力,摩擦力
中图分类号:TU312
文献标识码:A
〇 引言 近 年 来 ，我公司承担的化工、热 电 、石 化 等 工 程 设 计 中 ，钢框
架及轻型门式刚架的应用十分普遍。在这类结构设计中 均 涉 及 到 柱 脚 抗 剪 承 载 力 计 算 的 问 题 ，图 纸 审 查 机 构 也 会 要 求 设 计 人 提 供柱脚抗剪承载力的计算书。然 而 ，国内现有的设计规范及计算 软 件 对 柱 脚 抗 剪 承 载 力 设 计 方 面 表 达 比 较 模 糊 ，给 结 构 设 计 人 员 带 来 很 多 困惑。
栓更不能承受剪力。但 对 于 没 有 靴 梁 的 锚 栓 ，国 外 有 两 种 意 见 ， 一 种 认 为 可 以 承 受 剪 力 ，另 一 种 则 不 考 虑 （见 G.BALLI0 ，F.M. MAZZOLANI著 《钢 结 构 理 论 与 设 计 》，冶 金 部 建 筑 研 究 总 院 译 ， 1985年 1 2 月 ）。另 外 ，在 我 国 亦 有 资 料 建 议 ，在抗震设计中可用 半经验半理论的方法适当考虑外露式钢柱脚（不 管 有 无 靴 梁 ）受 压侧锚栓的抗剪作用。
铰接柱脚： ■Na
(a + />) + n 2A ec2/ ( a + b ) (3)
锚栓
钢柱
柱脚底板
基！ _顶标局
二次灌浆层
"X 基础短柱
\ …l………
nV !
n
&I
B
b )铰接柱脚详图 图1 柱脚详图
2 钢柱脚抗剪承载力性能分析
本文将钢柱脚抗剪性能的分析分三个方面来展开，分 别 是 ：
1)
摩擦力；

科 技
浅议钢 结构 柱脚抗剪键 的设 计
刘 劫
（ 大庆市城 乡规划编制研究 中心 ， 黑龙江 大庆 １ ６ ３ ０ ０ ０ ） 摘 要： 铜结构建筑物是 当前最为常见的一种建筑物 结构形 式， 钢柱脚是连接钢 结构 与混凝土之间的重要媒介 ， 主要承担 着上部 结 构所带来的承栽力 ， 因此钢柱脚 的设计合理与否直接 关 系到上部结构是否能够将 内力传递于此。钢结构柱脚抗 剪键的设计是 当前钢结构 设计者极其 重视的 问题 。本 文就钢结构柱脚抗 剪键 的设计进行分析 ， 以供 相关技术人 员参考。 关键词 ： 钢 结构 ； 钢柱脚 ； 抗剪键 ； 设计 推导出来 的抗剪键设计公式 ，抗剪键的设计埋深为 ５ ４ ｍ ｍ。而按 非 目前 ， 由于钢结构具有质轻 、 刚度 大 、 承载力好等优点而受到业 线性设计 ， 推导出来的抗剪键设计公式 ， 抗剪键 的设计 埋深为最 小 界人士 的认可与青 睐 ， 也 正因为钢结构质轻 ， 导致在工程设计 过程 值为 ４ ２ ０ ａ ｒ ｍ， 最 大值 为 ４ ８ ５ ｍ ｍ， 通过 以上论述 ， 可以看 出 ， 基 于线性 中， 钢结构柱脚极容易受 到水平荷载的作用 ， 从 而产 生较 大的建立 。 理论计算得到 的抗剪键埋 深和基于非线性理论得 出的抗剪键埋 深 为 了使其具有抗 剪能力 ，越来越多 的设计者 开始 对钢柱脚进行 研 相差很大 ， 按线性理论计算的抗剪键埋深较小 ， 偏于不安全 ， 所以在 究， 目前 已有 了一定 的成绩 ， 柱脚锚栓是提 高结构抗剪能力 的重要 实际工程应用 中应该按非线性理论进行计算 ， 从而得出抗剪键的设 措施 ， 针对于此 ， 技术人员还提 出了相应 的设计公式来对其 进行合 计埋深应该取值为 ４ ５ ０ ｍｍ。 理分析 ， 但是从我 国现行 的规 定制度来看 ， 柱脚锚栓并不 能够用于 ５ 抗 剪 键 设计 技 术 抗剪的分析当中， 因此我们只能够在其 中设置抗剪键或者是增加底 抗剪键 的设置还需要在基础 中设置预 留槽 ， 大型柱脚地 板还需 板与混凝 土之间的摩擦力来提高其抗剪能力 。 要设 置灌浆孑 Ｌ ， 所以施工 比较困难 ， 二次灌浆不容易密室 ， 养护工作 ２ 在 水 平 力 作 用 下钢 柱 脚 的 影 响 不容易开展 ， 为 了让抗剪键承受更 大的水平剪力 ， 必须要求施 工单 般来说 ， 我们在对钢柱脚进行施 工时 ， 会在基础短柱 的顶部 位确保施工质量 ， 即灌浆时要把灌浆材 料充满预 留槽 ， 从而保 证抗 预 留相应 的沟槽 ， 等 到柱 安装 完成之后 ， 我们需要在预 留的沟槽 中 剪键 与混凝土之 间的有效传力 ， 也可以在柱脚底板上 开设 ８ ０ ｍ ｍ的 设计抗剪键 ， 然后在采用灌浆材料来灌注沟槽 ， 此时 ， 抗剪键与混凝 排气孔 ， 方便排气 ， 从而提高整个 系统 的抗剪能力。 为了让抗剪键更 土之间就会 紧密 的联 系 ， 我们 在考虑钢柱脚 的抗剪能力 时 ， 还需要 好地承担水平荷载 ， 抗剪键应该尽 量宽而短 ， 在满 足安装要求 的基 将混凝土的性 能与作用考虑在其 中。 础上二次灌浆层 的厚度应 该尽量薄 ， 这样一来 ， 无 论从施工 角度和 在水平力作用下 ， 底板会将水 平力直接传递 给抗 剪键 ， 最后再 设计角度都 比较经济且合理。 由抗剪键传递给周边 的混凝土 ， 此 时， 如果剪力过大 ， 那么抗剪键就 源于抗剪 键与混凝 土是不可分割 的整体 ， 所 以应该 考虑抗剪键 会逐渐弯曲 ， 并将其压力 直接传递给混凝土。 也就是说 ， 由于混凝土 和混凝土 的协 同工作 ， 为 了保证 这两者的有效协 同工作 ， 应该 在抗 的强度 小于钢材的强度 ， 在受到过大 的水平作用力 的影响时 ， 那么 剪键与柱脚底板之问进行相应的衔接 ， 从而避免 了抗剪键先于混凝 柱脚就会出现裂缝 ， 最终导致 建筑 的底板 以及抗剪键周边 的混凝土 土 遭 到破 坏 。 出现变形 的情况 ， 此 时抗 剪键的强度也就 明显 降低 ， 最终 造成坍塌 确定 了抗 剪键 的理论埋 深之后 ，还需要考 虑柱脚的受力状态 ， 等不 良后果 。因此在对钢柱脚进行施工的过程中 ， 施工人员首先需 并且 以此为依据进行 相应地调整 ， 当柱脚处于压剪状态 时 ， 源于双 要考虑到其埋设深度 ， 这样才 能够从根本上避免上述情况的发生。 向压力作用于混凝土上 ， 所 以其抗压强度的提高会增加抗剪键 的抗 除此之外 ， 施工人员还应该 注意到的是 ， 抗 剪 键 的抗 剪 能 力 主 剪键性能 ， 这时可以适 当地缩小抗剪键 的设计埋深 。 反之 ， 当柱脚处 要取决于钢柱脚 的拉剪状态 ， 因此 ， 如果钢柱脚受到剪力的作 用 ， 那 于拉剪状态 时，其抗压强度的减 弱则会 降低抗 剪键 的抗 剪性 能 ， 可 么不可避免的也会 受到一定 的拉力作用 ， 这 就对抗剪键 的设置提 出 以适当地放大抗剪键 的设计埋深。另外 ， 抗剪键 的设计埋深还与抗 了更高 的要求。 剪键的截面有效 回转半径 、 抗剪键与混凝土相对刚度 的抵抗惯性矩 ３ 柱 脚 水 平 反 力 的 传 递 方式 以及抗剪键承担 的剪力大小 等诸多 因素有关。 当前我 国严禁 采用柱脚锚栓来提高其抗剪能力 ， 因此我们 可以 显然 由于地震时的情况较为复杂 ， 再加上荷 载组合情况的变化 采用设 置抗 剪键或者增加地 面与混 凝土之间 的摩擦力 来提高其抗 系数较大 ，这样在计算 的过程中不可能考虑周 全所 有的受力 状态 ， 剪能力 。其 中在施 工过程 中， 通过增加底板 与混凝土之 间的摩擦力 更别提进行详 细计算 了，所 以施 工人员应 该根 据 自身的实践 经验 ， 是最 简单的一种方法 ， 但是在施工之前 ， 我们需要确保 钢柱脚具有 对 一 些 重 要 的 构架 设 置 柱 脚 抗 剪 键 。 虽 然 利用 抗 剪 键 传 递水 平 力 ， 较 大的压力 ， 这 样才能够承受建立与拉力 ， 因此这一方 式并不能够 构造简单 ， 受力明确 ， 有效方便 ， 与此 同时也会增加设计和施工 的工 将水平 反力 传递到基础部分 当中 ， 无法满 足设 计要 求 ， 因此我们在 作量 ， 但是 ， 为了保证整个工程的施工质量 ， 这种增加又是忽略不计 实际工作中最常用的方法也就是在钢柱脚 的底板设置抗剪键 ， 而我 的 ， 为 了达到提高抗剪键设计 效率的 目的 ， 希望有关部 门制 定相应 们一般会采用方刚或者 Ｈ型钢来作为抗剪键进行设计与施工。 的规 定 和 要 求 。 ４抗剪键的设计方法 结 束 语 过去 ， 施工人员一般会在 钢柱脚底部设置抗 剪键 ， 这样虽然可 在实际工作 中， 钢结构柱脚抗剪键 的设计一 直是设 计人员头疼 以克服基础部分与顶部 之间摩擦力不足 的问题 ， 但是 如果抗剪键埋 的问题 。 通过上述 ， 相信设计人员 已有 了一定的了解 ， 在设计钢结构 设 的深 度不足 ， 东阳会导致柱脚 的水平承 载力 过小 ， 最 终无法提高 柱脚抗剪键的过程 中， 设计人员首先需要分析其水平力作用 以及水 钢结构柱脚的抗剪 能力 。为 了避免这一问题的发生 ， 我们在施工过 平反力 的传 递 ， 然后 在根据实际情况来设置埋设深 度 ， 尽 量避免基 程 中将抗剪键与混凝土两个部分有机 的结合起来 ， 然后根据现行弹 顶之间摩擦力不足的问题 。以此来提高工程 的抗剪能力。 性 以及非线性来 了解混凝 土的应力与应变之 间的关系 ， 最 后再 采取 参考文献 有效 的措施来对抗剪键进行设计 。 ［ １ 慷 介莲． 柱脚锚栓抗剪性能分析 山东建材， ２ ０ ０ ８ （ ５ ） ： ９ ５ — １ ８ ２ ． 设计案例 ： 假设钢结构柱脚的地板设计轴压力是 ２ ５ ｋ Ｎ， 设计剪 【 ２ ］ 黄 崇为， 朱善春， 王大领 ． 『 ］ 式 刚架设计 中柱脚抗剪键 的设 置 科 力是 １ ８ ０ ｋ Ｎ， 基础混凝± 的强度等级为 Ｃ ２ ５ ， 确定抗剪键的尺寸。首 技 创 新 导报 ， ２ ０ ０ ９ （ ３ ） ： ３ ０ — ３ １ ． 先 ，需 要验 算摩 擦 力是 否 满 足钢 结构 的规范 要 求 ，即 ｆ ＝ ２ ５ ０× ［ ３ 】 张昭云． 关于门式轻钢 结构柱底抗 剪键设置 的探讨叽 有 色金 属设 ０ ． ４ ＝ ｌ Ｏ ０ ｋ Ｎ＜Ｖ ＝ Ｉ ８ ０ ｋ Ｎ，也就是指柱 脚地板和混凝土 间的摩擦 力小 计 ， ２ ０ １ ０ （ ２ ） ： ２ ８ — ３ ４ ． 于设计剪力 ， 不 满足规范要求 ， 应该设置抗剪键 。按线性 弹性设计 ，

C 50 混凝土 轴心抗压强度设计值 fc= 23 .1M pa
k′=
A 13670
=
= 3.8
A1 3580
抗剪键截面有效回转半径为
ix 169
iv = =
= 86.7mm
k ′ 3.8
基础混凝土沿受力方向计算长度取 3 倍的抗剪键宽度与
抗 剪键 到 基础 边 缘距 离的 最 小值 ： l= m in {3 ×2 50 ，0 5 ×
抗剪键是指在 钢结构设计中设于柱底板 下面用于抵抗水 平剪力的钢板 、角钢、槽钢等构件，但是 在我国规范及欧洲 规范里并未给 出具体相关的公式，实施时 多以经验取值。在 计算抗剪键时 可等价于悬臂梁计算。抗剪 键按其设计方向分 为垂直于剪力 方向的Ⅰ型和平行于剪力方 向的Ⅱ型。Ⅰ型抗 剪 键主要 通过 抗剪 键挤 压剪 力方 向的混 凝土 将剪 力传 给基 础，Ⅱ型抗剪 键主要通过钢板和混凝土之 间的粘结力来传递 剪力。抗剪键 埋深应满足最小理论埋深与 最大理论埋深，满 足 最小理 论埋 深能 保证 抗剪 键不 受破坏 且具 备足 够抗 剪能 力，满足最大 理论埋深是保证抗剪键未破 坏的情况下，防止 基础混凝土先 发生承压破坏。另外对于抗 剪键的刚度亦有一 定要求。
钢结构门式墩 与基础的有效连接是整个 结构至关重要的 部分。在我国《钢结构设计规范》（G B5 00 1 7- 20 03 ）8 .4 .1 3 条明确规定： 锚栓不宜用于承受底部的水 平力。水平力需由 水平摩擦力（0 .4 倍的轴向力）承担。 但是对于偏载较为严 重的门式墩， 远离荷载作用位置的，因为 轴向力较小，会出 现水平剪力>水平摩擦力（0.4 倍的轴向力）的情况，在这种 情况下就应设置抗剪键。
（8 20 0- 3 40 ）}= 75 0m m

面≮
图４柱底抗剪键大样
２．４柱底板锚筋计算（图５） 底板锚筋计算采用偏心压力法。先按构造要求
进行布置，然后计算锚筋的最大拉力，考察是否满足 要求。由弯矩平衡关系可知：
尬＝Ｆ１ｙｌ＋Ｆ２Ｙ２＋Ｆ３ｙ３＋…＋Ｆ。ｙ。 式中 Ｅ——锚筋拉力；
Ｙ。——锚筋距形心轴ｚ的距离。
＋ｌ Ｉ
Ｉ
十Ｉ
＋＋＋＋＋＋ ＋＋＋＋＋＋ ｊ｛ ｉ
４００×３０，材质Ｑ３４５一Ｂ；柱脚反力：Ｎ＝４ ４６１ ｋＮ，
Ｕ－－－－５８ ｋＮ，Ｕ＝－－３７１ ｋＮ，尬＝１ ０３２ ｋＮ·１２１，鸠
一１９３ ｋＮ·ｍ。
图２ ２１号柱脚
２．１锸板尺寸及厚度的确定 锚板的尺寸主要考虑板底混凝土的局部承压破
坏，即底板的尺寸由基础混凝土的抗压设计强度确 定，计算底板厚度时，各区格应力可偏于安全地取底 板的最大应力计算。根据构造，初选底板尺寸为： ａ ｘ ｂ—ｌ １００ ｒａｍ×６００ ｍｍ，在轴力、弯矩共同作用 下，柱底板最大压应力为：
ｌ工程概况 ，西安市广电世纪园剧场钢结构工程Ｂ区分为
舞台和观众厅两部分，屋盖为空间管桁架结构，柱子 为箱形截面钢柱，截面尺寸为９００ ｍｍ×４００ ｍｍ，板 厚３０ ｔｒｉｍ，材质Ｑ３４５一Ｂ钢，外露式刚接柱脚。
２箱形钢柱柱脚的理论计算 该工程结构部分采用ＳＡＰ２０００有限元分析软
件进行设计，柱脚平面布置如图１所示，柱脚厦力见 表１。
板底应力寸。＝１８．２１２ ＭＰａ，板厚按Ｉ区和Ⅱ区 悬臂板计算（图３），为了计算方便同时考虑偏于安 全，暂不考虑角部三角区域（图３中板的４个角部除 阴影部分外的区域）的有利作用。由图３可知，悬臂 板Ｉ、Ⅱ分别在Ｙ向、ｚ向的悬挑长均为１００ ｍｍ， 即，ｓ＝Ｚ，＝１００ ｍｌＴｌ，则ＭＩ＝Ｍｎ＝０．５ａ。《，＝ ，９１ ０６０ Ｎ·ｍｍ，按板的弹性强度理论可知，单位板