火力发电厂主厂房钢结构柱脚抗震浅析

火力发电厂主厂房钢结构柱脚抗震浅析

高岩

哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司黑龙江哈尔滨150046

摘要：介绍三种刚性固定柱脚抗震设计方法，说明当柱脚承受地震作用大时，采用埋入式或外包式柱脚是合理性。

关键词：刚性固定柱脚；外露式；埋入式；外包式；抗震

1.前言

由于钢结构具有重量轻，塑性及韧性好，施工简便安装周期短以及工业化制作程度高等特点，随着社会经济日新月异的发展，钢结构结构形式得到不断改进，进而广泛应用到火力发电厂主厂房结构中。钢结构柱脚设计作为钢结构设计过程中的一环，起着承上启下的重要作用，而且对结构的安全有着关键作用，因此柱脚的抗震设计应该得到足够的重视。

2.柱脚抗震设计

柱脚按结构内力的边界条件划分，可分为铰接柱脚和刚性固定柱脚两类。铰接柱脚计算和构造较为简单不在此详述，本文将着重介绍刚接柱脚的抗震计算及构造。刚性固定柱脚按其构造形式可分为三种形式：露出式、埋入式和插入式柱脚。

2.1外露式柱脚

刚性固定外露式柱脚由底版、加劲肋及锚栓等组成，各部分板件都应具有足够的强度和刚度，而且相互间应可靠连接。为满足柱脚嵌固，提高承载力和变形能力，柱脚处在形成塑性铰之前，不容许锚栓和底板发生屈曲，也不容许基础混凝土被压坏。当考虑抗震构造要求时，还需验算柱脚的极限抗弯承载力：

（3）圆钢管截面

当N/Ny≤0.2时，MPC=MP

当N/Ny＞0.2时，MPC=1.25（1-N/Ny）MP

式中N——钢柱的轴力设计值；

Ny——钢柱的轴向屈服承载力；

A——钢柱的全截面面积；

Aw——钢柱腹板的截面面积；

MP——钢柱的全塑性受弯承载力；

fy——钢柱钢材的屈服强度。

柱脚的极限受弯承载力Mu计算方法，设截面为底板面积，由受拉边的锚栓单独承受拉力，由混凝土基础单独承受压力，受压边的锚栓不参加工作，锚栓和混凝土的强度均取设计值。

2.2埋入式柱脚

刚性固定埋入式柱脚是直接将钢柱埋入混凝土或基础梁的柱脚。钢柱的埋入深度是影响柱脚固定度、承载力和变形能力的重要因素，其埋入深度应满足相关构造要求，即不得小于钢柱截面高度的2.5倍。为防止基础或基础梁中混凝土早期的压坏和剪坏，应配置补强钢筋，合理确定钢柱周边的钢筋混凝土保护层厚度及其配筋是很重要的。考虑抗震要求时，应按照相关规范验算柱脚抗弯极限承载力：

抗剪极限承载力：

Mu/l≤0.58fwtwfy

式中：MPC——有轴力时钢柱截面的全塑性弯矩，计算同外露式柱脚；

Mu——钢柱脚埋入部分基础混凝土提供的侧向受弯承载力；

l——基础顶面到钢柱反弯点的距离，可取层高的2/3；

Bc——与反弯作用方向垂直的柱身宽度，对工字型截面柱取等效宽度；

hB——钢柱脚埋置深度；

fw、tw——钢柱截面腹板的高度和厚度；

fy——钢材的屈服强度；

fck——基础混凝土轴心抗压强度标准值。

2.3外包式柱脚

刚性固定包脚式柱脚，就是按照一定要求将钢柱脚采用混凝土包起来。设计包脚式柱脚应保证弯曲屈服在先；在基础梁形成塑性铰时，尚未达到其极限承载力；包脚钢筋混凝土部分的垂直主筋要有足够的锚固长度，并且使混凝土包脚有足够的高度和保护厚度，在包脚顶部设置加强箍筋以确保柱脚内力传递。考虑抗震要求时，应按照相关规范验算柱脚抗弯极限承载力：

Mu≥1.2MPC

柱脚的极限受弯承载力Mu按照以下公式计算：

Mu=min{Mu1，Mu2}

Mu1=MPC/（1-lr/l）

Mu2=0.9Asfykh0+Mu3

抗剪极限承载力：

Vu≥Mu/lr

Vu=beh0（0.7ftk+0.5fyvkρsh）+Mu3/lr

式中：MPC——有轴力时钢柱截面的全塑性弯矩，计算同外露式柱脚；

Mu——柱脚的极限受弯承载力；

Mu1——考虑轴力影响，外包混凝土顶部箍筋处钢柱弯矩达到全塑性弯矩MPC时，按照比例放大的外包混凝土底部弯矩；

l——钢柱底板到柱反弯点的距离，可取底层层高的2/3；

lr——外包混凝土顶部箍筋到柱底板的距离；

Mu2——外包钢筋混凝土的抗弯承载力与Mu3之和；

Mu3——钢柱脚的极限受弯承载力；

Vu——外包式柱脚的极限受剪承载力；

be——外包层混凝土的截面有效宽度；

ftk——基础混凝土轴心抗拉强度标准值；

fyvk——箍筋抗拉强度标准值；

ρsh——水平箍筋的配筋率。

3.结论

外露式柱脚由于其施工方便，在日常工程中被广泛采用，但刚性固定柱脚反力通常较大，此时采用外露式柱脚不仅会导致材料浪费，而且难以满足相关抗震要求。当震害发生时，锚栓通常被剪断、拉断或拔出，影响结构稳定。并且当钢柱截面大到一定程度时，设计大于截面抗弯承载力的外露式柱脚也较为困难。例如菲律宾某2x150MW火力发电厂地震设防烈度为9度，煤仓间钢柱截面1200x600，因业主为求施工方便要求采用外露式柱脚，造成柱底板尺寸为1500x2500x100，每个柱脚使用18根M72地脚螺栓。由此可见，当柱脚承受地震作用大时，采用外露式柱脚既不经济也不适合，采用埋入式或外包式柱脚是合理必要的。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范GB5011-2010中国建筑工业出版社

[2]钢结构设计规范GB50017-2003中国计划出版社

[3]高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程CECS230：2008中国计划出版社

[4]汪一骏.钢结构设计手册（第三版）中国建筑工业出版社

[5]李星荣.钢结构连接节点设计手册（第三版）中国建筑工业出版社