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通过摩擦和锚栓实现底板中的剪力传递

本文也提供以下语言版本
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AI从英语翻译

结构工程师在设计柱脚时,是否应假定通过摩擦传递剪力?在设计锚固时,是否始终可以依赖摩擦力?规范对剪力由锚栓和摩擦共同承担有哪些规定?

在某些情况下,剪力可通过底板与混凝土块之间的摩擦传递,无论是否有灌浆层。本文讨论设计指南中的建议与进展,重点关注欧洲标准。有关 IDEA StatiCa 锚固设计的一般介绍,请阅读博客安全且精确的锚固设计。

EN 1993-1-8:2005 的规定

钢结构节点设计欧洲规范第 6.2.2 条规定,剪力可在锚栓和摩擦之间分配。换言之,抗剪承载力为摩擦承载力与所有锚栓抗剪承载力之和(公式 6.3):

Fv,Rd=Ff,Rd+nFvb,RdF_{v,Rd} = F_{f,Rd}+nF_{vb,Rd}Fv,Rd​=Ff,Rd​+nFvb,Rd​

其中:

  • Ff,Rd=Cf,dNc,EdF_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}Ff,Rd​=Cf,d​Nc,Ed​ – 摩擦承载力,如公式 (6.1) 所定义
    • Cf,d=0.2C_{f,d} = 0.2Cf,d​=0.2 – 底板与砂浆灌浆层之间的摩擦系数(砂-水泥砂浆)
    • Nc,EdN_{c,Ed}Nc,Ed​ – 柱中法向压力的设计值;应取最小值,即最大剪力与最小压力共同作用的荷载组合。对于增大压力的荷载效应(通常为自重),应采用下限分项系数(如 γG,inf=1.0\gamma_{G,inf}=1.0γG,inf​=1.0)。
  • nnn – 底板中锚栓数量
  • Fvb,Rd=min⁡{F1,vb,Rd,F2,vb,Rd}F_{vb,Rd} = \min \{F_{1,vb,Rd}, F_{2,vb,Rd} \}Fvb,Rd​=min{F1,vb,Rd​,F2,vb,Rd​} – 锚栓抗剪承载力设计值
    • F1,vb,Rd=αvfubAγM2F_{1,vb,Rd} = \frac{\alpha_v f_{ub} A}{\gamma_{M2}}F1,vb,Rd​=γM2​αv​fub​A​ – 按第 3.6.1 条确定的锚栓抗剪承载力设计值
      • αv=0.6\alpha_v = 0.6αv​=0.6,适用于 4.6、5.6 和 8.8 级
      • αv=0.5\alpha_v = 0.5αv​=0.5,适用于 4.8、5.8、6.8 和 10.9 级
      • fubf_{ub}fub​ – 锚栓极限强度
      • A=AsA = A_sA=As​ – 剪切面通过锚栓螺纹段时
        • AsA_sAs​ – 锚栓受拉应力面积
      • A=AgA = A_gA=Ag​ –  剪切面不通过锚栓螺纹段时
        • AgA_gAg​ – 锚栓光杆截面毛面积
      • γM2=1.25\gamma_{M2} = 1.25γM2​=1.25 – 螺栓分项系数(表 2.1)
    • F2,vb,Rd=αbfubAsγM2F_{2,vb,Rd} = \frac{\alpha_b f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}}F2,vb,Rd​=γM2​αb​fub​As​​ – 公式 (6.2)
      • αb=0.44−0.0003fyb\alpha_b = 0.44-0.0003 f_{yb}αb​=0.44−0.0003fyb​
      • fybf_{yb}fyb​ – 锚栓屈服强度,其中 235 MPa ≤fyb≤\le f_{yb} \le≤fyb​≤ 640 MPa

上述规定源于荷兰代尔夫特理工大学 Stevin 实验室的研究成果,相关内容汇总于Heron Journal 的一篇论文中。 

需注意,带灌浆底板锚固的抗剪承载力远高于 EN 1992-4:2018 的规定,这是因为允许更大的变形,且受剪锚栓中会产生二阶拉力。

还需注意,此处未考虑基础混凝土块的承载力。假定其承载力将按 EN 1992 在其他地方另行验算。对于悬空锚栓,本文介绍了不同的处理方法。

Fib Bulletin 58:混凝土锚固设计(2011)规定

国际 fib Bulletin 58 在第 4.2 章中讨论了摩擦效应。该文件指出,不仅当压力作用于底板时会产生摩擦,弯矩作用时同样会产生摩擦。但文件同时指出:

通常情况下,若满足以下条件,应忽略摩擦承载力:

  • 灌浆层厚度超过锚栓直径的一半
  • 锚固承载力由近边条件控制
  • 锚固用于抵抗地震荷载

混凝土边缘破坏应按全部剪力进行验算,而不仅针对扣除摩擦后作用于锚栓的剪力。

与 EN 1993-1-8 中 Cf,dC_{f,d}Cf,d​ 相当的摩擦系数为 μ/γMf=0.4/1.5=0.267\mu / \gamma_{Mf} = 0.4/1.5 = 0.267μ/γMf​=0.4/1.5=0.267。

EN 1992-4: 2018 的规定

锚固设计欧洲规范颇具争议,因为许多按传统方法通过所有规范校核的设计突然不满足要求。该欧洲规范主要适用于短锚栓锚固,此类锚固结果差异显著,这也体现在较大的分项系数上。例如,这篇包含 1 722 个试验的论文对此有所说明。

第 6.1 (2) 条规定:

当弯矩和/或压力作用于与混凝土或砂浆接触的锚固件时,将产生摩擦力。若同时有剪力作用于锚固件,该摩擦力将减小作用于紧固件上的剪力。但本规范在紧固件设计中不考虑摩擦力。

因此,规范并未明确禁止考虑摩擦的贡献,只是完全不予采用。

FprEN 1993-1-8:2023

钢结构节点设计欧洲规范终稿将锚栓严格区分为:

  • 钢与混凝土之间的紧固件——短锚栓
  • 锚栓——传统长锚栓

对于锚栓,假定钢材破坏为控制破坏模式。抗剪承载力规定于第 D.3.1.4 条,同样允许将摩擦承载力与锚栓承载力叠加。需注意,该条款对钢与混凝土之间的紧固件(混凝土或拔出破坏可能控制的短锚栓)未作规定。

Fv,Rd=Ff,Rd+nFvb,RdF_{v,Rd} = F_{f,Rd} + n F_{vb,Rd}Fv,Rd​=Ff,Rd​+nFvb,Rd​

其中:

  • Ff,Rd=Cf,dNc,EdF_{f,Rd} = C_{f,d} N_{c,Ed}Ff,Rd​=Cf,d​Nc,Ed​ – 摩擦承载力,如公式 (6.1) 所定义
    • Cf,d=0.3C_{f,d} = 0.3Cf,d​=0.3 – 底板与砂浆灌浆层之间的摩擦系数(砂-水泥砂浆)
    • Nc,EdN_{c,Ed}Nc,Ed​ – 柱中法向压力的设计值
  • nnn – 底板中锚栓数量
  • Fvb,Rd=αbcfubAsγM2F_{vb,Rd} = \frac{\alpha_{bc} f_{ub} A_s}{\gamma_{M2}}Fvb,Rd​=γM2​αbc​fub​As​​ – 锚栓抗剪承载力设计值
    • αbc=0.44−0.0003fyb\alpha_{bc} = 0.44-0.0003 f_{yb}αbc​=0.44−0.0003fyb​
      • fybf_{yb}fyb​ – 锚栓屈服强度,其中 235 MPa ≤fyb≤\le f_{yb} \le≤fyb​≤ 640 MPa
    • fubf_{ub}fub​ – 锚栓极限强度
    • AsA_sAs​ – 锚栓受拉应力面积
    • γM2=1.25\gamma_{M2} = 1.25γM2​=1.25 – 螺栓分项系数(表 2.1)

需注意,摩擦系数 Cf,dC_{f,d}Cf,d​ 现已提高至 0.3,这可能与灌浆质量普遍提升有关。此外,实际上从未起控制作用的 F1,vb,RdF_{1,vb,Rd}F1,vb,Rd​ 已被删除。

混凝土中各破坏模式的承载力设计值应按 EN 1992-4 进行验算,且不应起控制作用。混凝土块中锚栓的不同破坏模式及规范校核详见本文。

工程实践

在实际工程中,将摩擦承载力与锚栓抗剪承载力叠加的做法极为少见。 

对于预埋锚栓,底板上的孔洞公差通常较大,例如 +/-30 mm,这意味着在极端情况下底板可移动 60 mm 才会碰到孔洞另一侧。底板上可焊接带标准孔的锚板,但在这种情况下,锚栓受弯而非受剪,其承载力较小。因此,剪力通常仅通过摩擦传递,或通过抗剪键传递。

后锚固锚栓的底板可采用标准孔(若其用于抵抗剪力,则必须如此——EN 1992-4 第 6.2.2.1 条)。但对于后锚固锚栓,摩擦的贡献通常被忽略。

总结

规范不断发展,设计指南逐渐趋向于以下结论:传统的以弯钩或锚板收尾的长锚栓,在满足以下条件时,可考虑钢底板与混凝土基础或灌浆层之间的摩擦贡献:

  • 钢材破坏模式起控制作用
  • 无地震荷载
  • 灌浆层较薄

在以下情况下,不应考虑摩擦的贡献:

  • 混凝土边缘劈裂破坏起控制作用
  • 存在地震荷载

对于短锚栓(通常为后锚固锚栓,现定义为钢与混凝土之间的紧固件),应忽略摩擦的贡献。

在实际工程中,摩擦与锚栓抗剪承载力的组合极少使用。

在 IDEA StatiCa 中,没有通过摩擦与锚栓抗剪组合传递剪力的选项。若用户希望在后续手算中采用此方案,应满足上述所有条件。

关于通过摩擦、锚栓和抗剪键传递剪力的更多内容,请参阅本文。IDEA StatiCa Connection 支持完全由锚栓或完全由摩擦传递剪力。

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