门式刚架柱底锚栓的抗剪分析

钢结构门式刚架是厂房仓库中常用结构形式。钢结构门式刚架结构具有混凝土结构不可比拟的优势，例如造价低施工周期短，可拆卸重复使用等，成了投资方最欢迎的结构形式。有关研究随国家基础建设一直在进行。《建筑抗震设计规范》规定柱底部水平剪力单独计算，设抗剪键来处理问题，这种做法趋于保守。下面通过计算和实验来论证。

柱脚内力计算

la为锚固长度，得出柱脚底板反力及锚栓拔力，根据柱脚底板水平力计算底部摩擦力，进而计算抗剪键设计值。柱脚底板与基础的摩擦力F=u*D（D为柱脚竖向压力，u为柱脚与混凝土柱之间摩擦系数），当不满足V

设计柱脚抗剪试验

试验构件按华南某刚架结构厂房柱下端尺寸设计，基础用钢筋混凝土地梁代替，尺寸1.5米长，横截面0.6x0.4m（两端预埋设锚栓）和0.4x0.4m（两端为化学浆锚固锚栓），实验混凝土柱强度C30，锚栓强度Q235B。

当柱脚为刚接时，右边弯矩M=42.58kN.m，参考《柱脚嵌固度对山形门式刚架结构分析的影响》提出β=0.55-0.75的范围，本计算比值在允许范围内，符合工程实际要求。即摩擦力大于剪力，不设抗剪键。本文拟通过实验验证柱脚底部的摩擦力能否承载水平荷载。加载方式为：首先竖向加载至20kN，再在距离梁底1.5m范围处逐渐加载水平力的水平荷载，以实验其抗剪能力。测得柱脚水平位移与水平荷载的关系：当达到水平推力设计值20.7KN时，柱脚水平位移小于0.2mm，30 kN时为0.3mm。螺孔与锚栓间隙3mm，因此柱子底板与螺栓没有接触，水平荷载达到45 kN和 50 kN时，水平位移为0.6mm和 0.7mm，没有接触。说明锚栓没有参与抗剪，通过底板与基础的摩擦力满足水平荷载。因为剪力设计值为20.1kN，实验中当水平力达到30kN时柱脚没有滑动，锚栓没有因水平力作用而受力，故实际中可不设抗剪键。因为压力与摩擦力成正比，水平推力增加了轴向的压力，因此增加柱底板摩擦力而提高抗剪承载力。

进入第二阶段，柱底锚栓承受剪力时，计算模型为：锚栓间距0.2m，锚栓材料为Q235B，直径d=30mm，设计极限拉力取值5%、10%、15、20%。先加载预紧力，后加轴向力，分析柱脚抗剪承载力。结果：预紧力为5―29 kN，轴力为20 kN，底板压应力和摩擦力与柱脚锚栓的预紧力成正向关系。当柱脚锚栓预紧力在15、20 kN时，锚栓应力随着预紧力的加大而加大，范围集中在柱底和混凝土顶附近。

当锚栓预紧力为15、20 kN时，如图2锚栓应力曲线，从混凝土底部到顶部渐次加大，顶部与柱脚相连接处最大，在柱子底板上表面与混凝土接触表面后迅速减小。

结论

通过试验计算得出结论：钢结构门式刚架结构中，柱脚锚栓预紧力的存在可以参与柱脚抗剪。在实际工程设计中要计算由弯矩而使摩擦力加大而增加的抗剪承载力，在此基础上设计锚栓预紧力，避免因计算保守而增加投资成本。