[分享][钢结构·探讨]“柱脚”引发的吐槽

时间: 2020-07-30 18:17 阅读: 次大中小

17年10月份，我们收了一批异型楼梯、异型连桥的方案配合（大大小小有八九个），跟着建筑方案改来改去，一直改到了18年的10月份（至今为止，大部分还在折腾方案）。当大家都筋疲力尽的时候，设计院发生了一些人员变动。

为了方案能顺利推进，这些异型楼梯、连桥的施工图果然“不负众望”，都压到了我们身上。

在模型计算阶段，本着“求真负责”的精神，我们采用实体壳元建模。你知道，这意味着，方案改一次，我们就得建一次模，这个过程的曲折和艰难，不是本篇吐槽的重点。

毕竟，我有无敌的同事，经过这一年的“千锤百炼”，他们处理模型的速度已经与甲方调整方案的速度势均力敌。但这终究不是长久之计，也许，我们应该尽早将参数化建模常规化。

言归正传，其实，“柱脚”才是今天要说的主角。

说“柱脚”，其实也不准确，应该是楼梯斜梁（钢梁）在混凝土梁上的支座。支座埋件（连接）包括顶埋、侧埋、半顶半侧埋以及各种奇葩埋。计算预埋件，我们有明确的规范条文——《混规》9.7.2条。

我们就从这里开始吐槽之旅吧。

吐槽1：锚筋为何要均匀配置？

对以恒活组合工况为控制工况的情况，拉压区通常是非得很清楚的，锚筋受拉，理所应当。压区配那么多锚筋，是啥意思呢？

所以，对一些比较复杂的节点，埋板较大，锚筋布置数量较多时，往往要对这个公式进行改造。按照材料力学公式，拉弯或者压弯计算都是很简单的，适当考虑一点安全系数，问题不大。

但9.7.2可不简单，它把剪力、轴力、弯矩，线性统一到同一个公式，这就引来了第二个槽点。

吐槽2：剪力引起的剪应力和轴力、弯矩引起的正应力可以线性叠加吗？

这其实是一个Big Problem。往上追溯，大概可以追溯到材料力学中的强度理论。知道任意位置的应力状态，我们都可以计算出该位置的主应力，然后可以计算出四个强度理论对应的相当应力。材料力学中提到，“对像低碳钢一类的塑性材料，一般宜采用形状改变能密度理论为宜”。

按照这个理论，材料力学推导了纯剪切应力状态的强度条件。纯剪切应力状态下的需用切应力与在单轴拉伸时的许用拉应力有这样一个关系。

在钢结构设计规范中，抗剪强度设计值与抗拉强度设计值即按此比例确定(以前竟没有注意到)。但钢筋却没有这个说法，钢筋无论是抗拉还是抗剪，我们基本用的是同一个强度（抗剪计算时，规范一般会规定抗剪强度设计值的上限360Mpa）。

按照形状改变能密度理论，我们可以以任意位置的应力状态为变量，推导出一个具体的表达式。以平面应力状态为例，形状改变能密度理论有一个非常简单的表达式。

这个公式在规范中即有体现。《新钢规》6.1.5条，在梁的腹板计算高度边缘处，同时承受较大的正应力、剪应力和局部压应力时，规范给出了一个折算应力的计算公式。

上面的公式，是将局部压应力代入得到的。如果不考虑局部压应力，这个公式就退化为仅考虑正应力和剪应力的折算应力公式，这个公式在11.2.1条再次出现，这次是用来计算承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝。

紧接着，11.2.2条，在各种力综合作用下，计算直角角焊缝强度时，这个公式就发生了变化。查看11.2.2条，我们很容易被这种变化欺骗，以为根号里面漏了一个“3”，其实不然，原因在于公式推导的时候，存在一个力的分解关系，具体可查条文说明。

至此，至少从钢结构规范来看，强度破坏理论是一脉相承的，均沿用了形状改变能密度理论。

但这和我们锚筋的情况不同呀（为啥？）。锚筋的剪应力和正应力的综合承载力该如何判别呢？我勉强找到了点依据，《新钢规》11.6.4条，在计算销轴同时受弯受剪的组合强度时，采用如下公式：

再或者，锚筋计算与普通螺栓比较接近吧，11.4.1条也有规定。即使对高强螺栓承压型连接，也是采用相同的计算公式。

从上面来看，锚筋抗拉抗剪的综合承载力也应该采用类似公司呀，即平方和开方。我记得，以前算喜利得化学锚栓的时候，也是按照类似公式计算的。你可能会说，11.4.2条还有一条高强螺栓摩擦型连接综合承载力判断的公式：

这条公式为何特殊呢？问题就在于摩擦型连接，抗剪承载力与螺栓抗拉承载力存在线性关系，所以它们采用了线性组合。

说来说去，《混规》9.7.2-1式究竟是怎么回事呢？我查到了89年的《混规》，7.8.1条，预埋件的计算就是这么规定的，这么多年其实没有更新过。当然，现行混规在条文说明部分，承认前述计算公式是半理论半经验公式。我们还能说什么呢？

吐槽3：埋件抗剪怎么算？

紧接着，我们算抗剪。如果采用锚筋抗剪，《混规》折得很厉害，大概要折到0.4~0.5倍（四排）。这让人有点疑惑，以直径为22的抗剪栓钉为例，抗剪承载力大约为96kN，而对应的直径22的锚筋（锚固长度520mm），抗剪承载力仅为51kN。

保守起见，我们采用抗剪键抗剪，但抗剪键的抗剪承载力怎么算呢？这个公式在规范中并不好找。刚开始，我借鉴了《新钢规》14.3.1槽钢连接件的抗剪承载力计算公式。后来，设计院找来了另一套公式。

这个公式出现在《混凝土结构构造手册》（第五版），在2016年9月份发布的设计图集16G362《钢筋混凝土结构预埋件》上，也采用了上述公式。

这个公式大致提供了抗剪钢板的受剪承载力计算公式，即0.7fcXAv，其实就是把混凝土的局部抗压承载力当做钢板的抗剪承载力。按照这个算法，钢板的放置方向应与剪力的方向垂直，这样才能有更大的受压区面积（不知道大家平时是不是这么做的？）。

采用0.7XfcXAv计算抗剪钢板的承载力时，要小心验算钢板本身的抗剪承载力哦，不然算出的抗剪承载力比钢板本身还大，就尴尬了…

吐槽4：抗剪键的抗剪承载力不能超过总抗剪承载力的30%？

另外，上面这个公式还表达了另外一个信息，钢板抗剪承载力不能超过总承载力的30%. 这是什么道理呢？我也很困惑，记得以前我们都是让抗剪键承担100%的剪力。

如果外力作用点距离埋件比较近，则埋件所受剪力较大，弯矩较小，在这种情况下，我们配置抗剪键承担剪力，配置少量锚筋承受弯矩。但上面的公式告诉我们，这样是不行的。大部分剪力还是得锚筋承担，所以锚筋得多配。上面已经提到，锚筋抗剪，承载力要大大折减，所以估计得配多排锚筋，如果是多排的话，承载力还要折减。瞬间感觉像吃了苍蝇一样。

吐槽5：锚固长度怎么算？

《混规》8.3.1给出了基本锚固长度的计算公式。锚固长度和钢筋抗拉强度设计值成正比，这个可以理解，这基本就是“等强”的思想嘛。

钢结构连接的时候，也有这个思想，如果做到“等强”连接，构件截面没有问题，则节点就不会有问题。但有些情况下，构件应力比比较小，我们还有必要做到“等强”吗？这就是一个相对性的概念，结构设计中与此类似的情况挺多的。以前写过一篇文章《说说结构设计中的“相对性”》曾专门论述了这个问题。巧的是，这次又增加了一个案例。

根据埋板情况，我们采用直径25的锚筋，《混规》9.7.2条规定，锚筋计算时，fy只能取到300Mpa，那最合适的选择就是采用二级钢。但现场情况是，直径22以上的钢筋全部采用四级钢。四级钢的抗拉强度设计值是435Mpa，比300Mpa足足多出了45%，那么请问，计算锚固长度时，是该采用300Mpa，还是435Mpa呢？

钢筋的锚固长度，不应该是一个绝对的概念，而是和受到的力有关系，如果充分利用钢筋的抗拉强度，应该满足规范计算的锚固长度要求；但抗压和抗拉又不一样，即使充分利用钢筋的抗压强度，锚固长度仅需满足受拉锚固长度的70%即可。

对一些构造钢筋，尤其是放在受压区的构造钢筋，更是没有必要按规范计算锚固长度来取值，事实上，竟然有人这么干。

吐槽完毕！！

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