钢柱脚抗剪承载力的有限元分析

刘 阳

（武昌工学院城市建设学院，湖北武汉430061）

0 引言

钢柱脚的抗剪承载力通常为两个部分，一部分为柱脚和基础间的摩擦力，另一部分为锚栓和混凝土组成系统的抗剪能力。一般钢柱脚的抗剪承载力计算可以简单将上述两部分力进行叠加。本文借助通用有限元软件ANSYS的模拟分析计算和后处理功能，能较准确地对钢柱脚的力学性能进行分析，进一步对其抗剪承载力进行计算。

1 有限元模型的建立

1.1 材料参数及单元选取

对于柱身及锚栓钢材，均可视其为线性强化弹塑性材料，采用双线性随动强化（BKIN）准则对其本构关系进行模拟。柱身及锚栓钢材取Q235，其屈服强度及切线模量分别取235 MPa和790 MPa，弹性模量和泊松比分别为2.06×105MPa和0.3。基础采用C40混凝土，弹性模量取3.35×104MPa。

对钢柱脚采用8节点三维实体单元Solid45模拟，而柱下基础则使用针对混凝土的单元Solid65模拟，由于分析中对基础中钢筋内力不作要求，采用整体式模型来建立基础中钢筋和混凝土组合。接触对采用目标单元TARGET170和面-面接触单元CONTACT174，在钢柱脚底板和混凝土基础表面、螺母与底板间、螺栓与底板间均设置了接触对。接触面表面摩擦系数，参考美国AIC 349-85中的规定取0.4。根据工程实际，分别建立柱身为H型钢和方钢管的柱脚ZJ-1和ZJ-2，锚栓分别布置在柱身内侧和外侧，模型几何尺寸如表1所示。

表1 模型几何尺寸

1.2 约束和加载

柱脚的约束条件参考实际工程和相关试验，即：约束柱顶对称中线的X/Y向平动自由度及X/Z向转动自由度；约束基础底面的X/Y/Z向平动及转动自由度。

考虑工程实际施工过程，计算加载顺序为先施加预紧力，预紧力的值参考相关文献中平均值，再施加竖向及水平荷载。先分别在柱顶施加不同的轴压荷载：N1=0 N，N2=80 kN，N3=120 kN，防止柱顶出现的局部变形过大，在柱顶增加顶板，竖向和水平加载均加于顶板，此后在柱顶水平施加低周反复荷载，然后在按柱顶施加位移荷载。屈服准则采用Von-Mises屈服准则。采用力、位移双收敛准则，应用Newton-Raphson平衡迭代法进行非线性求解，求解器选用预置条件共扼梯度求解器（PCG），打开自动时间步长控制及线性搜索。

2 有限元计算结果分析

2.1 柱脚及各部分计算结果

（1）无论有无轴压，柱脚发生破坏的主要形式基本相同，锚栓屈服，柱脚底板与基础混凝土局部出现脱离。随轴压力的增加，柱脚底板竖向位移增加（当N2=80 kN时，ZJ-2底板最大竖向位移为5.87 mm），底板和混凝土脱离造成的破坏先于锚栓应力过大的破坏。由于锚栓位置不同，底板发生破坏部位不同。ZJ-1、ZJ-2整体应力云图如图1、图2所示。

图1 N2=80 kN，ZJ-1整体应力云图

图2 N2=80 kN，ZJ-2整体应力云图

（2）柱底板锚栓孔处由于应力集中和螺栓的挤压作用，出现较大应力值。当轴压增加时，ZJ-1（N2=80 kN）底板会先于柱身整体或锚栓发生屈服，从而造成柱脚破坏。ZJ-1、ZJ-2底板应力云图如图3、图4所示。

图3 ZJ-1底板应力云图

图4 ZJ-2底板应力云图

柱脚锚栓的等效应力云图如图5、图6所示，根据程序中自带结果显示的文件，可以查出锚栓最大等效应力出现在锚栓和底板衔接处，同时可以通过时间历程处理器POST26得出锚栓最大应力值及随加载步变化的曲线。根据等效应力云图可知，在相同的荷载作用下，锚栓应力随锚栓布置不同而变化。当轴压较小时，锚栓先发生屈服破坏，轴压值增大时，锚栓破坏滞后于底板变形过大破坏和锚栓孔挤压破坏。

图5 ZJ-1锚栓等效应力云图

图6 ZJ-2锚栓等效应力云图

2.2 计算结果分析

（1）柱脚锚栓破坏是柱脚破坏的原因之一，不同形式柱脚，在不同轴压下，锚栓处均出现较大应力。随轴压力增加，底板摩擦力增加，柱脚在水平方向能承受的荷载也增加，但锚栓应力值随载荷增大，会先于柱脚其他部分发生屈服破坏。

（2）柱脚锚栓的最大应力值随锚栓布置位置的不同（布置于柱身内部或柱身四周）而不同，故对于锚栓抗剪能力应根据锚栓位置进行计算。

（3）柱脚底板锚栓孔是在剪力弯矩作用下易发生破坏的另一个部位，增加轴压会增加底板和基础间的摩擦，增加柱脚抗剪能力，但锚栓孔的应力会随之增加，随轴压增加，会因柱脚剪力破坏而发生锚栓孔的挤压破坏。

（4）柱身在低周反复作用下不会发生破坏，但柱脚和底板连接处随着荷载增加会出现较大应力值，尤其是H型钢的翼缘和底板连接处，在较大荷载和位移下，可能会先于其他部分的破坏而造成柱脚破坏。

3 结语

（1）锚栓的屈服、底板锚栓孔破坏是柱脚破坏的主要原因，随轴压值不同，二者可能先后发生，也可能同时发生。底板和锚栓的力学性能是保证柱脚不受破坏的重要因素。

（2）随轴压增加，柱脚底板摩擦力增加，但锚栓屈服破坏和由此产生的底板变形过大的破坏，会令柱脚底部破坏。