系船柱抗剪设计的探讨

肖志建，李开元，朱子平，莫秋荣

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300022）



系船柱抗剪设计的探讨

肖志建，李开元，朱子平，莫秋荣

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300022）

摘要：本文对工民建行业外露式钢结构柱脚抗剪设计理论进行了详细介绍。结合系船柱构造及工作特点，建议在进行系船柱抗剪设计时，忽略底盘摩擦力及锚栓抗剪的影响。以系船柱各部件受力明确及充分发挥其材料性能为思路，提出设置专门抗剪措施的设计方案。为系船柱的抗剪设计提供了参考。

关键词：系船柱；抗剪设计；受力明确

引 言

系船柱在工作过程中承受很大的水平力，除了受弯以外其抗剪设计应给予充分重视。现有系船柱通用图编制说明[1]（以下简称编制说明）并未就构件抗剪进行验算。相关行业规范[2]对系船柱的主体计算作出了规定,而对底面抗剪验算并未作出要求。工民建外露式钢结构柱脚设计中对于柱脚底面抗剪性能进行了详细的研究，但关于锚栓抗剪有较大的分歧，同时规范[3,4]就此问题作出了推荐性的规定。目前，外露式钢结构柱脚抗剪设计习惯性做法为柱底设置抗剪键。本文认为可以借鉴外露式钢结构柱脚抗剪设计的方法，对系船柱抗剪进行设计。

1 通用图[5]系船柱抗剪性能分析

图1 系船柱结构示意

由通用图中系船柱的组成可知，其需验算的抗剪部位主要在柱体、底盘与基础接触处。柱体受力明确，验算较为简单,本文不作讨论。底盘与基础面存在接触问题，且此处锚栓将柱壳与混凝土基础连接，此处受力复杂。系船柱结构如图1所示。

由编制说明及现行规范可以看出，在水运工程系船柱设计时并未对底盘与基础接触位置处抗剪验算给予重视，同时没有进行专门的抗剪设计。在安装上规范建议系船柱底盘的上表面宜与码头面齐平。由图1可以看出，在系船柱底盘的上表面与码头面齐平时，提供抗剪力主要来源有：底盘前面混凝土压应力、柱底面与混凝土的摩擦力、锚栓抗剪；若系船柱底盘下表面与码头面齐平时，提供抗剪力主要来源则少了底盘前面混凝土压应力。底盘安装位置的不同，系船柱的抗剪性能会有很大的差异。

2 外露式钢结构柱脚抗剪设计

外露式钢结构柱脚抗剪设计中，习惯上首先考虑由底板和混凝土基础之间的摩擦力来抵抗，不足时采用柱底设置抗剪键，而不利用柱脚锚栓承受柱脚底部的水平剪力。对于这种不考虑锚栓参与抗剪性能的作法，在业内有很大的争议，相关文献也对锚栓参加抗剪进行了研究，对抗剪承载力计算也给出了相应的研究成果。埋设抗剪键柱脚如图2所示。

图2 抗剪键柱脚示意

2.1 规范规定及抗剪键常规作法

现行标准[3,4]中对柱脚锚栓不承受水平力做了推荐性的规定，同时推荐采用底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键承受水平力。抗剪键受力机理为：利用自身与基础混凝土的接触承压来平衡柱底剪力。此设计理念不考虑锚栓承受水平力可使锚栓受力明晰，充分发挥锚栓的抗拉性能，但是采用抗剪键设计方式时，施工工艺相对复杂。目前习惯做法如图2，抗剪键一般采用型钢或钢板，一端预先焊接在柱底板下，基础混凝土顶面需要预留槽位以插入抗剪键，柱子安装定位后，将槽内二次浇注微膨胀细石混凝土。

2.2 锚栓参与抗剪的柱脚抗剪计算理论

在柱脚不设置抗剪键时，柱脚的抗剪能力主要分为2部分：一部分是柱脚底板与基础混凝土之间摩擦力，另一部分是锚栓与基础组成的系统提供的抗剪力。国内外许多学者对无抗剪键柱脚的锚栓参与抗剪的计算进行研究，形成如下几种方法。

1）李德滋建议的方法[6]

认为当柱脚承受的水平力大于柱脚底板与基础混凝土的摩擦力时，锚栓参与抗剪。此时锚栓的设计强度与粗制螺栓相同。给出了锚栓在拉力和剪力共同作用下的锚栓强度验算公式：

2）于安麟等建议的方法[7]

认为受拉侧锚栓屈服时，柱脚所能承受的水平力为柱脚抗剪承载力。在计算时仅考虑受压侧锚栓抗剪并达到屈服，忽略受拉侧锚栓受力。结合试验给出钢柱脚抗剪承载力的具体表达式：

3）李维平建议的方法[8]

认为受拉侧锚栓是承受剪力且剪力在锚栓间平均分配，以材料破坏的第四强度准则对受拉锚栓进行强度验算。柱脚抗剪承载力是以受拉锚栓达到屈服为标志，验算公式为：

式中：n1为受拉侧锚栓的数目；n2为参与受剪锚栓的数目；为受拉侧单根锚栓剪应力；为受拉侧单根锚栓拉应力。

4）英国的方法[9]

完全忽略柱脚底板与基础混凝土的摩擦力的作用，将锚栓看作普通螺栓，设计指标与普通螺栓相同，即：

式中，Nvb

、Ntb、Ncb分别为单根锚栓受剪、受拉和承压承载力设计值。

5）规范[10]的计算方法

8.14.3条给出了由锚板和对称配置的直锚筋所组成的受力预埋件，在承受剪力、法向拉力和弯矩及剪力、法向压力和弯矩作用时，锚筋截面总面积的计算公式。在计算公式中，也考虑了锚筋承受的剪力。其公式是根据试验研究的成果提出的半理论半经验公式，可以作为类似柱脚计算的参考。

2.3 小结

由以上锚栓参与抗剪的柱脚抗剪理论可以看出如下几点：

1）摩擦力是否能参与抗剪，方法四不考虑底板与混凝土的摩擦力，方法1~3考虑了摩擦力的抗剪贡献。

2）锚栓抗拉强度的取值，方法1、4认为取同普通螺栓的强度设计值，其余方法取做锚栓材料屈服强度的设计值。

3）剪力在锚栓间分配的问题，当柱底板上开孔比较大、预埋锚栓位置不准时，会导致不是所有锚栓同时与底板接触承压，锚栓群可能会逐一剪坏；通常采取垫板与柱底板满焊的措施，来保证所有锚栓参与抗剪。

理想的柱脚破坏模式是以锚栓屈服为标志。在这种破坏模式下，要实现对锚栓进行强度验算，首先要确定受拉锚栓的受力状态，即确定柱底与基础的摩擦力及确定剪力在锚栓间的分布。由目前的研究来看，由于影响因素较多，确定受拉锚栓的受力状态并未形成统一的共识。

3 推荐系船柱抗剪设计方案

由编制说明可知系船柱设计时没有采取锚栓同时承受剪力的措施。摩擦力取决于摩擦系数与垂向压力，其底盘与定位板之间的摩擦系数受粗糙度等因素影响，底盘受压区所承受压力取决于系船柱的受力状态。结合系船柱的受力状态的多样性，要确定摩擦力及锚栓承受剪力有太多的不可控的因素。本文认为在抗剪设计时，宜忽略摩擦力及锚栓抗剪的影响。另一方面现系船柱底盘厚度（特别是大等级）比钢结构柱脚底板厚度大许多。底盘与基础表面的位置，对系船柱抗剪能力的影响则不能忽略。

3.1 系船柱底盘的上表面与码头面齐平时抗剪

由于此时底盘嵌入在码头面混凝土内，其机理类似于钢柱脚底板下设置抗剪键，由底盘与码头面混凝土的接触压力来平衡系船柱承受的剪力。假定底盘与码头面混凝土的接触压力均匀分布。若系船柱周围码头面混凝土内合理配置钢筋，参照规范[10]5.8节进行局部受压承载力验算，其局部受压区的截面尺寸需满足下式：

根据间接钢筋的配置方式，局部受压承载力参照规范[10]5.8.3条进行验算：

若系船柱周围码头面混凝土未配置钢筋，参照规范[10]附录A.4.1条提供的素混凝土局部受压承载力进行验算：

针对通用图中1 500 kN方底盘铸铁系船柱进行计算。其底盘尺寸如下：。码头面混凝土等级为C30，忽略混凝土局部受压的强度提高的影响，计算中相关参数取：。系船柱所承受最大剪力设计值。代入（8）式右侧得3 764.5 kN，可知局部受压区的截面尺寸满足要求。由式（10）可得素混凝土局部受压承载力为1 742.8 kN。由上述验算结果可知：素混凝土局部受压承载力不能满足抗剪要求，需通过式（9）验算在码头面混凝土内的配筋，使混凝土局部受压承载力满足系船柱的抗剪要求。对于圆底盘系船柱底盘的上表面与码头面齐平时，其抗剪承载力计算方法同方底盘，但是混凝土局部受压净面积计算较为复杂。

3.2 系船柱底盘的下表面与码头面齐平时抗剪

在此安装方式下，结合规范[3]的相关规定及系船柱本身的工作特点，建议在系船柱底盘下设置承受水平力的抗剪键来满足系船柱抗剪要求。由于系船柱属于铸造构件，可将下部的抗剪键一起铸造成型。抗剪键的设计可根据所承受的水平力进行设计，需进行抗剪键截面强度及混凝土局部承压的验算。施工时，同样采用预留槽位，安装完成后二次浇注微膨胀细石混凝土的方式。这样可以使系船柱各部件受力明确，充分发挥各部件的材料特性。

4 结 论

对工民建行业外露式刚性柱脚中锚栓参与抗剪的计算方法介绍中可知：对锚栓参与抗剪上存在很大的争议。结合系船柱的构造及工作特点，认为底盘与基础接触位置处抗剪验算应给予重视。从系船柱各部件受力明确及充分利用锚栓性能的角度，建议在系船柱抗剪设计时，宜忽略摩擦力及锚栓抗剪的影响。同时针对系船柱不同的安装方式提出:系船柱底盘的上表面与码头面齐平时，可考虑底盘与码头面混凝土的作用来平衡系船柱承受的剪力；系船柱底盘的下表面与码头面齐平时，须设计抗剪键来满足系船柱的抗剪要求。考虑到码头面层在使用过程中磨耗常常较为严重及系船柱抗剪的受力需要，建议在利用底盘与码头面混凝土的作用来平衡系船柱承受的剪力时，在系船柱周围局部码头面层内合理配置钢筋。

参考文献：

[1] 水运规划设计院技术管理室. 系船柱构件通用设计编制说明[M]. 1978, 12.

[2] JTJ 297-2001码头附属设施技术规范[S].

[3] GB 50017-2003钢结构设计规范[S].

[4] CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]. 2012.

[5] 交通部水运规划设计院. GJ-33 1977系船柱通用图[M].

[6] 童根树. 钢柱脚单个锚栓的承载力设计[J]. 建筑结构, 2004(2): 10-14.

[7] 于安麟. 露出型钢柱脚抗剪性能的研究(Ⅱ )[J]. 工业建筑, 1992(6): 29-33.

[8] 李维平. 露出型钢柱脚抗剪性能的理论与试验研究[J].钢结构, 2007(1): 45-48.

[9] 杨秀英. 柱脚锚栓抗剪性能的分析方法. 工业建筑, 2004(S1): 920-924.

[10] JTS 151-2011水运工程混凝土结构设计规范[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

作者简介：肖志建（1982-），男，注册土木工程师（港口与航道工程），主要从事港口航道结构设计工作。

收稿日期：2015-05-21

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160107

中图分类号：U653.2

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0030-04