埋入式柱脚设计方法与受力性能研究

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在建筑钢结构中,钢柱脚的作用是固定柱身并将柱中的内力传递给基础,是上部主体结构与基础连接的重要部件,对整体结构的传力、稳定等性能有着至关重要的作用。埋入式柱脚作为钢柱脚分类中最重要的一种节点,应用也最为广泛。长期以来,对于钢结构的性能研究主要集中在整体性能与重要构件之上,对于钢结构的连接方式——节点的相关研究则显得单薄许多。随着钢结构的应用日益扩大,尤其以经历过多次地震灾害的考验之后,节点的重要性逐渐被学者所认识并重视。我国的钢结构节点,尤其是钢柱脚节点的研究起步较晚,起点较低,并以引进和验证国外的相关公式规定为主要研究方式。作为钢结构的重要连接节点,钢柱脚的相关性能的研究显得尤为必要。本文根据《高层民用建筑钢结构技术规程》(送审稿)中对埋入式柱脚的规定,结合《日本建築学会鋼構造接合部設計指針》2012、《钢结构设计规范》GB50017(征求意见稿)、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98,对埋入式柱脚新《高钢规》的验算公式进行了溯源与推导计算,总结了新《高钢规》对旧《高钢规》的修改与提升,对比了《日本规范》、《钢规》、新《高钢规》对埋入式柱脚的设计方法及验算公式。本文运用大型通用有限元分析软件ANSYS,采用国内相关研究极少涉及的箱形截面柱,对箱形截面柱的埋入式中柱脚建模,进行受力性能分析。首先,结合规范中的理论公式计算结果,验证了新《高钢规》采纳的埋入式柱脚计算公式的合理性以及对于箱形截面柱的公式适用性。其次,通过设置不同的参数,研究埋深比、混凝土强度等级、柱截面尺寸等因素对柱脚极限承载力的影响:当埋深比在一定范围内时,埋深比越大,柱脚的极限承载力越大;当埋深比超过一定值时,柱脚的极限承载力超过钢柱的极限承载力,此时极限承载力不再随埋深比的增加而增加,而是取决于钢柱的截面尺寸、屈服强度等因素。最后,本文对埋入式柱脚的破坏情况进行了验证,给出了不同参数设置情况下柱脚的破坏形式,与新《高钢规》验算公式相对应,主要可分为柱的破坏、基础混凝土的破坏、钢柱埋入部分周边的混凝土破坏。研究为新规范的进一步完善和工程实际应用提供了参考。
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