? 一种栓钉抗剪预埋件设计方法 一种栓钉抗剪预埋件设计方法
卢家森*
(上海市城市建设设计研究总院,上海 200125)
摘 要：栓钉抗剪预埋件在实际工程中经常用于钢梁和混凝土结构之间的连接,并传递剪力。由于设计规范滞后,现行《混凝土结构设计规范》并没有明确这种栓钉类预埋件的设计方法。提出了一种锚板和栓钉组合埋件的分析模型,推导了相关的设计公式,并通过理论分析和试验的对比,验证了提出的设计方法的可靠性,并给出了一个具体工程实例。
关键词：锚板, 栓钉, 抗剪预埋件, 设计方法
1 引 言
栓钉抗剪预埋件由锚板和栓钉组成,其作为抗剪预埋件的一种,在实际工程中经常用于钢梁和混凝土结构之间的连接,传递剪力,如图1所示。钢梁端部剪力通过耳板传递给锚板和栓钉,再进一步传递给混凝土结构。当剪力较小时,这种埋件是一种简便实用的选择。
关于这种栓钉抗剪预埋件的设计,由于规范滞后,目前现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[1]并没有给出相应的设计方法,这给设计人员提出了挑战,设计可靠的栓钉抗剪预埋件成为钢梁与混凝土结构连接设计的关键问题之一。本文针对栓钉抗剪预埋件的设计展开了深入研究,提出了实用的分析模型,推导了相关的设计公式,并通过理论分析和试验的对比,验证了本文提出的设计方法的可靠性,该设计方法可为类似工程提供有益的参考。
图1 栓钉抗剪预埋件示意图
Fig.1 Shear stud embedment diagram
2 栓钉抗剪预埋件的分析模型
2.1 基本假定
栓钉抗剪预埋件用于承受钢梁传来的剪力和拉力,通常剪力作用点相对于锚板存在一定偏心,因而还需承受一定的附加弯矩,所以位于受拉区的栓钉除了承受剪力外,还需承受拉力。
在栓钉拉出破坏时,栓钉周围的混凝土应力很小,混凝土最终表现为弹性。因此,在分析模型中,假设混凝土的应力为线性分布,当栓钉达到极限承载力时,锚板边缘的混凝土应力达到其抗压强度,如图2所示。
图2 栓钉抗剪预埋件计算简图
Fig.2 Calculation model of the shear stud embedment
2.2 承载力分析
栓钉抗剪预埋件在极限抗剪承载力作用下的计算简图如图2所示,混凝土承压应力的分布采用三角形分布,其高度由kd表示,其压应力区的最大应力为fc,拉区栓钉的承载力合力为Tcap,拉区合力点到锚板承压边缘的距离为d,拉力T作用点到锚板承压边缘的距离为c。
该埋件的受弯承载力应符合下列规定:
(1)
混凝土受压区高度应按下列公式确定:
(2)
另
ξ),则
(3)
(4)
Tn.=0.5α1fcξbd+T
(5)
式中,α1为系数,按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[1]第6.2.6条采用;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;b为锚板宽度;kd为三角形应力图的受压区高度;d为受拉栓钉形心到锚板受压区边缘的距离;c为拉力T作用点到锚板承压边缘的距离;T为埋件所受拉力设计值;V为埋件所受剪力设计值;Tn.为受拉侧栓钉形心处的拉力设计值。
3 栓钉抗剪预埋件的设计方法
3.1 栓钉抗拉承载力设计值
受拉区栓钉的抗拉承载力按下式给出,抗拉承载力设计值Tua以按下列三式中的最小值确定,且应Tua3>Tua2,该方法也可用来确定栓钉的抗拉承载力设计值[2]。
Tua1=0.8nk1Asfy
(6)
(7)
Tua3=βnk2Alfc
(8)
Tua=Min(Tua1,Tua2,Tua3)
(9)
式中,k1,k2 为承载力折减系数,考虑地震作用时,k1取0.8,k2取0.7;ft为混凝土抗拉强度设计值;n为受拉区栓钉个数;As为受拉侧栓钉截面积;fy为栓钉抗拉强度设计值;le为栓钉有效深度;D为栓钉端板的直径;A1为受拉锥体顶面处的投影面积之和(扣除投影面积重叠部分);A为各完整受拉锥体顶面处投影面积之和;β为混凝土局部受压承载力提高系数; Al为端锚板面积;fc为混凝土抗压强度设计值。
3.2 栓钉抗剪承载力设计值
受拉区栓钉的抗剪承载力可以表示为[3]:
(10)
式中,Vua为受拉区栓钉的抗剪承载力;n为受拉区栓钉个数;As为栓钉直径截面面积;Ec为混凝土弹性模量。
3.3 栓钉剪力和拉力的相关方程
当栓钉同时承受剪力和拉力时,拉-剪相关表达式习惯表示为[4]：
+
≤1.0
(11)
式中,Tn为受拉区栓钉的设计拉力;Vn为受拉区栓钉的设计剪力。
4 理论分析与试验对比
为了说明理论计算方法的准确性,本文针对文献[5]中的试验结果做了理论分析与对比。
表1 试验值和本文理论分析模型比较
Table 1 Result comparison between testing and theoretical models
试件试验值Pexp/kN理论值Pn/kNPexp/PnLEFT[3]160.1126.01.27RIGHT[3]168.6126.01.34
注
。
从表1可以看出,采用本文方法可以较为准确地预测试验结果,并有一定的安全储备,说明本文方法是可靠的。
5 算例
以一个实际工程[6]中钢梁与混凝土结构连接节点为例,如图3所示为钢梁与混凝土结构连接铰接节点,图4为栓钉抗剪预埋件。该节点剪力设计值V=175 kN,水平拉力设计值T=80 kN,e=110 mm,b=350 mm,c=205 mm,d=300 mm。栓钉直径19 mm,其材料性能等级为4.6级,f=215 N/mm2,γ=1.67,As=283 mm2,Al=829 mm2,D=32.5 mm,le=90 mm,A1=38 172 mm2,A=38 172 mm2,受拉区n=6,受压区n=3,混凝土强度等级为C40,其fc=19.1 N/mm2,ft=1.71 N/mm2,Ec=3.25×104 N/mm2。
图3 钢梁与混凝土结构连接铰接节点
Fig.3 Pin connection with the shear stud embedment between the steel beam and concrete structure
(1)受拉侧栓钉形心处的拉力设计值
Tn=0.5α1fcξbd+T=115 kN
图4 栓钉抗剪预埋件
Fig.4 Shear stud embedment
(2)受拉区栓钉抗拉承载力设计值
Tua1=0.8nk1Asfy=234 kN
Tua3=βnk2Alfc=199 kN
满足Tua3>Tua2。
取Tua=Min(Tua1,Tua2,Tua3)=170 kN。
(3) 栓钉抗剪承载力设计值
受拉区:
0.7nAsγf=427 kN
取Vua=427 kN。
受压区:
0.7nAsγf=214 kN
取Vua=214 kN。
(4) 栓钉剪力和拉力的相关方程验算
受拉区栓钉所受剪力设计值为Vn=117 kN,对应的抗剪承载设计值为Vua=427 kN,受拉区栓钉拉力设计值为Tn=115 kN,对应的抗拉承载设计值为Tua=170 kN,代入式(11)得:
+
=0.53
受压区栓钉所受剪力设计值为Vn=58 kN,对应的抗剪承载设计值Vua=214 kN,其Tn=0,代入式(11)得:
+
=0.11
参考文献：
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50010—2010 Code for design of concrete building[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2011.(in Chinese)
[2] 严正庭,严捷.预埋件设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.
Yan zhengting,Yan Jie.Design manual for emdedments[M].Beijing:China Architecture and Building Press,1994.(in Chinese)
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50017—2003钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.
Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50017—2003 Code for design of steel building[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2003.(in Chinese)
[4] ACI 318—08 Building code requirements for structural concrete(ACI 318—05) and commentary (318R—05)[S].American Concrete Institute,Farmington Hills,MI,2008.
[5] Luke C B.Behavior and design of cast-in-place anchors under simulated seismic loading[D].University of Cincinnati,2009
[6] 卢家森.多桅杆大跨斜拉结构的拉索设计方法[J].结构工程师,2011,27(3):31-35.
Lu Jiasen.Cable design method of multi-masted large-span cabled-stayed structures[J].Structural Engineers,2011,27(3):31-35.(in Chinese)
Design Method for a Shear Stud Embedment
LU Jiasen*
(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute, Shanghai 200125, China)
Abstract：Embed plate and stud are often used to connect steel beam and concrete structure for transferring shear forces. Current codes for concrete structure design do not clearly define a design method for this kind of embedment. This paper presents an analysis model of the embedment with the embed plate and stud. The relevant mathematical formula was verified through comparison of theoretical analysis and testing results. The application case was provided with a practical project.
Keywords：embed plate, stud, shear embedment,design method
收稿日期：2014-12-04
*联系作者， Email:lujiasen99@sina.com