220kV装配式变电站钢柱脚抗剪性能研究

秦 力，郑明鹤

(1．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2．中国航空油料有限责任公司内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特010070)

在电网的建设过程中，建造变电站一直采用钢筋现场绑扎和立模、浇筑混凝土、砌墙的传统施工方法．采用传统施工方法有现场湿作业多、施工时间长等缺点．为了方便施工，国家电网公司提出建设装配式变电站．在工程建设中采用装配式变电站，有减少现场湿作业量和用工量、缩短建设周期、降低成本、结构安全可靠等优点．朝阳220 kV装配式变电站是辽宁省的第一座装配式变电站，也是辽宁省供电公司的重点项目．

朝阳220 kV装配式变电站的主体结构为钢结构．在钢结构中，柱脚节点的主要作用是将结构的上部荷载传递到基础，即柱脚节点起着连接上部结构与下部基础的重要作用．因此，柱脚节点是主体结构的重要节点之一，在设计中不应被轻视［1］．

我国《钢结构设计规范》中规定柱脚所受的水平剪力由柱底板与基础顶面之间的摩擦力来承担，当水平剪力超过摩擦力时，柱脚应设置抗剪键，剪力由抗剪键承担［2］．规范中关于柱脚抗剪的规定是否合理值得商榷，柱脚的抗剪承载力应该考虑锚栓参与抗剪，在一些欧美国家的规范中也都有关于锚栓抗剪的规定［3］．许多学者的研究成果都表明柱脚锚栓可以为柱脚提供一定的抗剪能力，国外研究甚至认为有只具备抗剪能力的锚栓．针对柱脚的抗剪能力，许多学者进行了深入的研究［4］．RE Klinger［5］、T Ueda［6］对锚栓的抗剪性能进行了研究，认为锚栓参与抗剪是设计时应考虑的因素，RA Cook［7］认为在柱脚受剪力作用时，柱脚锚栓在拉力和剪力的作用下达到其极限承载力，其中剪力是拉力的50%．于安麟［8～9］、李维平［10］提出的钢柱脚的抗剪计算方法，主要体现了柱脚的整体抗剪性能，李德滋［6］通过对柱脚在静力荷载作用下抗剪性能的研究，得出了柱脚锚栓应该参与抗剪的结论．

本文通过朝阳220 kV装配式变电站的工程实例，对钢柱脚的抗剪能力进行了理论分析计算与有限元分析，以此来研究钢柱脚实际的抗剪能力，并对实际工程的设计提出建议．

1 钢柱脚有限元分析

试件为朝阳220 kV装配式变电站柱脚节点，柱脚所受最大轴向荷载为48 kN，柱截面为H型钢柱，腹板长190 mm，厚度10 mm，翼缘长150 mm，厚度12 mm，柱长取500 mm，锚栓直径为30 mm，钢柱底板尺寸为200 mm×200 mm×20 mm，柱底混凝土垫层厚度为100 mm．锚栓钢材采用Q345，屈服强度345 M Pa，弹性模量206 GPa，钢柱采用Q235，屈服强度235 MPa，弹性模量200 GPa．基础混凝土强度为C30，抗压强度fc=14．3 MPa．混凝土本构采用《混凝土结构设计规范》中的本构关系．

1．1 有限元模型的建立

几何模型分为4个部分，由混凝土基础、钢柱、锚栓和钢筋组成．混凝土采用塑性损伤模型，单元类型C3D8R．简化了锚栓的模型，螺母与锚杆的螺纹连接简化处理为一体，不单独对锚栓螺纹建模，建模时锚栓截面直径直接采用有效直径［11］，单元类型C3D8R．钢筋采用桁架类型，单元类型T3D2．底板与混凝土的接触，螺栓与混凝土的接触等，所有的接触属性均采用通用面－面接触，接触部分对单元网格进行局部细化，在保证结果准确度的条件下节省计算成本，分析模型在轴向压力作用下的抗剪能力［12］．

模型的边界条件设置:限制基础底面X方向、Y方向和Z方向的平动自由度和转动自由度，限制柱顶面的X方向和Y方向的平动自由度及X方向，Z方向的转动自由度［13］．

节点模型如图1所示，加载时在柱顶设置参考点，将参考点与柱顶面耦合，通过在参考点上施加荷载来实现模型的轴向受力和水平受力．模型其它参数不变，模型在柱顶施加0 kN、24 kN和48 kN的轴向荷载，分别命名为ZJ－1、ZJ－2和ZJ－3，同时在柱顶施加水平荷载，进行有限元分析．

图1 有限元模型

1．2 柱脚合理破坏模式分析

钢结构柱脚节点是由钢柱和钢筋混凝土两种材料组成的，所以，柱脚有可能的破坏是柱脚锚栓的破坏和基础混凝土的破坏．其中基础混凝土的破坏形式主要有混凝土的受压开裂破坏和混凝土剪切破坏两种．柱脚锚栓同时受到拉力与剪力的作用，其破坏形式包括锚栓受拉屈服被拉断，锚栓受弯矩和剪力作用导致锚栓发生弯曲和剪切变形直至锚栓被剪断．在柱脚发生的各类破坏中，只有柱脚锚栓变形破坏的破坏模式为延性破坏，能够保证钢柱脚具有稳定的变形能力，同时也可以留有一定的安全储备，符合柱脚设计的要求［4］．混凝土破坏属于脆性破坏，在基础设计时，应避免这种情况发生．

1．3 有限元计算结果分析

对柱脚同时施加轴向荷载和水平荷载，获得柱脚节点的M－θ曲线．其中M=PH，M表示柱脚所受弯矩，P表示柱顶所受水平荷载，H表示柱子的长度．

可以依据下列条件判断柱脚节点破坏［14］:

(1)M－θ曲线的斜率仍然为正，即曲线处于上升阶段，但是荷载曲线的退化程度达到15%及以上．

(2)M－θ曲线的斜率变为负值，即曲线开始下降．

对柱脚ZJ－1施加轴向荷载和水平荷载，获得柱脚柱顶的M－θ曲线如图2所示．模型在加载初期结构角位移、锚栓应变均呈线性关系，此时锚栓还处于弹性阶段，随着水平荷载持续增加时，ZJ－1的M－θ曲线斜率下降，随后柱顶位移快速发展，构件进入塑性状态，此时受拉侧锚栓屈服，即ZJ－1已经被破坏，此时水平荷载为138 kN，如图3(a)、图3(b)所示，此时受拉侧锚栓所受应力已达到材料的屈服强度，同时受拉侧锚栓也产生了一定的塑性应变，即受拉侧锚栓屈服，柱脚破坏．如图3(c)、图3(d)所示，此时受压侧锚栓所受应力未达到材料屈服强度．如图3(e)所示，受拉侧锚栓屈服时，钢柱底板并未屈服．ZJ－2、ZJ－3的情况与 ZJ－1类似，不同之处在于，ZJ－2、ZJ－3破坏时的角位移较小，因此可以认为施加轴向荷载，增大了柱脚的刚度，柱脚破坏时产生变形较小时，水平荷载达到144 kN，ZJ－3破坏时的水平荷载为150 kN．

图2 钢柱脚荷载位移曲线

图3 钢柱脚锚栓应力云图

根据有限元模拟结果，柱脚在轴向荷载为ZJ－1、ZJ－2、ZJ－3的抗剪承载力分别可以达到138 kN、144 kN、150 kN．将模拟结果与规范中规定的钢柱脚的抗剪承载力进行对比，发现模拟值远高于规范值．

2 柱脚抗剪承载力计算与结果分析

我国《钢结构设计规范》第8．4．13条规定:柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力，此水平反力应由底板和混凝土之间的摩擦力(摩擦系数可取0．4)或设置抗剪键承受剪力［15］．即柱脚抗剪承载力值可以按下式计算:

式中:N为轴向力;μ为柱脚底板与混凝土的摩擦系数;按《钢结构设计规范》取值．

规范中规定的抗剪承载力仅考虑了柱底板与混凝土基础之间的摩擦力，并未考虑锚栓同混凝土基础组成的系统抗剪能力，导致规范中规定的柱脚的抗剪承载力值偏低，设计构件时比较保守．

由于柱脚受力较为复杂，规范中对于柱脚的抗剪承载力也没有准确的规定，使得学者们针对钢柱脚的抗剪承载力提出的计算方法各不相同，各有侧重，目前主要的计算方法有以下几种:

(1)哈尔滨建筑工程学院李德滋教授［16］建议的方法:

式中:n为参与抗剪锚栓数目;Ae为单根锚栓的有效截面面积;fvm为锚栓的抗剪强度，公式中去fvm=130 N/mm2．

该方法同时考虑了锚栓的抗拉和抗剪，认为所有锚栓均参与抗剪，并且同时屈服，认为柱脚的水平剪力由底板与混凝土接触面上的摩擦力和锚栓共同承受．此方法只提供了单个锚栓抗剪承载力的计算方法，没有考虑钢柱脚的整体抗剪能力，认为柱脚所有锚栓抗剪承载力直接相加的总和即为柱脚的抗剪承载力．

(2)西安冶金建筑学院于安麟教授［8～9］建议的方法:

式中:N为柱顶轴向荷载;Ae为锚栓有效截面面积;Ty为受拉侧锚栓总拉力;β为调整系数，取0．65;fy为锚栓材料屈服强度;nc为受压侧锚栓数;0．4为柱底板与基础顶面的摩擦系数．

李维平教授认为柱脚中所有锚栓不可能全部参与抗剪，计算其抗剪承载力时取受拉侧及受压侧锚栓各一半参与抗剪更合理，同时留有一定的安全储备，受拉侧锚栓屈服即宣告柱脚破坏，取普通螺栓的抗拉强度设计值作为锚栓的抗拉强度设计值［17］．

将上述方法计算所得到的计算结果与相应的模拟结果进行比较，结果如表1、表2、表3所示．

该方法认为当柱脚上作用外力时，只有柱脚的受压侧锚栓参与抗剪，柱脚的合理破坏模式为受拉侧锚栓的屈服破坏．并认为当柱脚破坏时，受压侧锚栓与受拉侧锚栓同时屈服．

(3)北京建筑工程学院李维平教授［18］建议的方法:

式中:N为柱顶轴向荷载;σ为受拉侧单根锚栓正应力;n1为受拉侧锚栓的数目;n2为参与受剪锚栓的数目;Ae为锚栓有效截面面积;fy为锚栓材料屈服强度;β为调整系数，取0．65;τ为受拉侧单根锚栓剪应力;μ为柱底板与基础顶面的摩擦系数，按美国ACI349－06取值．

通过以上对比可以看出，按李维平教授计算方法获得的计算值与模拟值的误差均在20%以内，符合度更高，结果更准确．而于安麟教授、李德滋教授提出的方法获得的抗剪承载力值均在模拟值的2倍以上，误差偏大，并不合理，于安麟教授的方法认为在柱脚破坏时，受压侧锚栓和受拉侧锚栓会同时屈服，根据模拟结果，这种情况并不合理，实际上在受拉侧锚栓屈服时，受压侧锚栓中只存在较小应力，锚栓并未屈服，所以于安麟教授方法中柱脚破坏时受压侧锚栓应力取fy是不合理的，这也导致了计算结果偏大．而李德滋教授的方法并没有考虑柱脚的整体抗剪承载力，仅考虑了单个锚栓的抗剪承载力，并以单个锚栓抗剪承载力的总和作为柱脚的抗剪承载力，导致了该方法整体的计算结果偏大．

表1 计算结果与ZJ－1模拟结果对比

表2 计算结果与ZJ－2模拟结果对比

表3 计算结果与ZJ－3模拟结果对比

从计算结果、模拟结果与规范规定值的比较可以看出，我国规范对于柱脚抗剪承载力的规定并不合理，规范规定的柱脚抗剪承载力仅为柱脚实际抗剪承载力的10%左右．即在考虑锚栓抗剪能力的条件下，柱脚所具备的抗剪承载力远高于规范中规定的柱脚抗剪承载力值，这说明锚栓可以参与柱脚抗剪，而且可以提供比较可观的抗剪承载力，这部分抗剪承载力不应该被忽视，在设计柱脚时应当被利用起来［19］．

尤其在类似朝阳220 kV装配式变电站这种整体自重较小的钢结构中，规范规定的柱脚抗剪承载力会远低于其实际值，如果考虑锚栓参与抗剪，可以有效的利用柱脚的实际抗剪承载力．

3 结 论

(1)李维平教授提出的计算方法可以较准确的计算钢柱脚的抗剪承载力．

(2)我国规范所采用的计算方法比较保守，根据规范所得抗剪承载力与柱脚实际抗剪承载力差距较大．

(3)锚栓同混凝土基础组成的系统可以提供较强的抗剪承载能力，因此，在设计时应考虑柱脚锚栓参与抗剪，这样可以有效的提高柱脚的抗剪承载力，提高设计柱脚时设置抗剪键的分界点，从而减少抗剪键的设置，以达到降低工程成本，降低施工难度的效果．

(4)为避免柱脚柱脚的脆性破坏，保证柱脚的合理破坏模式，设计柱脚时必须保证基础混凝土的抗压强度、抗剪强度及其各种尺寸．

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