某门式刚架轻钢结构柱脚节点刚接加固设计与施工

　    [摘要]本文针对某门式刚架轻钢结构厂房原设计柱脚刚接节点变更为铰接节点后上部结构构件承载能力不足的情况，提出了柱脚节点的刚接加固方案及详细的加固设计计算分析，加固后的结构承载能力满足要求。本文方法可供同类工程的加固处理参考。

　　[关键词]门式刚架轻钢结构，加固，植筋，外包式刚接柱脚节点

　　1引言

　　门式刚架与基础的连接分为铰接，铰接情况下，柱顶位移较大，为控制柱顶位移需较大的梁柱断面；如果刚架与基础实现刚接，刚架的抗侧性能提高，构件截面可适当减小。

　　我省地处东南沿海，风荷载为主要控制工况，且多数厂房设置吊车，设计时多采用等截面的H型钢柱及刚接柱脚，但因各种客观因素，部分项目在实际施工时将原设计刚接柱脚节点变更为铰接柱脚节点，导致上部梁柱构件截面承载能力不足，留下安全隐患。本文介绍采用植筋和外包钢筋混凝土短柱的方法将某既有门式刚架轻钢结构铰接柱脚加固为刚接柱脚的工程实例，提出此类柱脚节点的加固设计及计算分析方法，供同行业人员参考。

　　2工程概况

　　福建某纸品加工有限公司生产车间采用门式刚架轻钢结构，单跨，跨度为18.0m，檐口高8.0m，各榀刚架间距6.0m，刚架柱6.3m标高处设置16.5m跨5T-LDA型电动单梁起重机一部，基础为预制PHC预应力管桩。刚架梁柱采用窄翼缘H型钢(Q235)，刚架构件现场连接采用10.9级扭剪型高强螺栓，刚架柱脚设计采用带加劲肋的刚接柱脚(图3)，实际施工变更为双排锚栓的铰接柱脚(图2)。

　　3柱脚刚接、铰接时刚架内力的分析比对

　　采用同济大学开发的建筑钢结构辅助设计软件“MTS”，分别对该门式刚架轻型钢结构柱脚铰接和柱脚刚接状态下的刚架承载力进行验算分析。结果表明，柱脚铰接状态下，刚架柱梁构件截面承载能力及刚架梁柱连接节点承载能力不满足规范要求；柱脚刚接状态下刚架的抗侧性能得到较大提高，刚架柱梁构件截面及连接节点应力状况得到较大改善，承载能力满足规范要求，材料强度得到更充分的发挥，主要技术指标对比结果详见表1。

　　主要技术指标 柱脚铰接 柱脚刚接

　　刚架柱最大应力比 1.25 0.87

　　刚架柱最大长细比 0.93 0.60

　　刚架柱柱顶最大位移(mm) 76(h/105) 15(h/533)

　　刚架梁最大应力比 1.12 0.62

　　续表1主要技术指标对比汇总表

　　主要技术指标 柱脚铰接 柱脚刚接

　　刚架梁绝对挠度(mm) 101(L/178) 57(L/316)

　　刚架梁柱连接节点

　　控制内力 轴力：N(kN) -20.3 -29.1

　　 剪力：V(kN) 48.9 41.0

　　 弯矩：M(kN•m) -176.8 -120.4

　　刚架梁梁连接节点

　　控制内力 轴力：N(kN) -16.0 -24.9

　　 剪力：V(kN) -6.2 -3.9

　　 弯矩：M(kN•m) 75.5 60.2

　　刚架柱柱脚节点

　　控制内力 轴力：N(kN) -133.3 -132.3

　　 X向剪力：Vx(kN) 23.7 27.5

　　 绕Y向弯矩：My(kN•m) 0 -88.9

　　4.外包式刚接柱脚节点加固处理及其计算分析

　　柱脚底板为-18mm×400mm×300mm，考虑钢筋保护层厚度30mm及植筋的操作空间，外包柱截面尺寸取550mm×450mm，混凝土设计强度等级取C25，钢筋选用HRB335。柱脚内力：-132.3kN，27.5kN，-88.9kN•m。

　　4.1柱脚底板长度和宽度验算

　　=132.3*103/(400*300)=0.114N/mm2≤9.6N/mm2；可满足要求。

　　4.2柱脚底板厚度验算

　　18.0≥=sqr(6*88.9*10/210)=5.04mm；可满足要求。

　　4.3柱脚锚栓仅视为安装固定之用，不进行计算。

　　4.4栓钉计算

　　参照《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)第9.5.3条规定：“在柱脚部位，和柱脚向上一层的范围内，型钢翼缘外侧宜设置栓钉，栓钉直径不宜小于φ19，间距不宜大于200mm，且栓钉至型钢钢板边缘距离宜大于50mm。”本工程选用φ19栓钉(Q235)，栓钉高度取60mm，栓钉设四行两列，列间距70mm，行间距150mm。

　　H型钢柱截面尺寸：HN350X175X7X11

　　 栓钉承受剪力：=88.9×102/(35.0-1.1)=262.24kN

　　 栓钉极限承载力：375N/mm2

　　 栓钉个数：4×2(个)，单个栓钉受剪承载力设计值计算：

　　 栓钉钉杆面积：=3.142×192/4/100=2.835cm2；

　　 =0.43×2.835×(28000×11.9)0.5/10=70.368KN；

　　=0.7×2.835×375/10=74.426kN；

　　 =70.368kN。

　　 单根栓钉承受剪力：262.24/4/2=32.78kN<70.368kN，可满足要求。

　　4.5植筋钢筋计算

　　4.5.1垂直于弯距作用平面的受拉侧和受弯侧对称配置，单侧配筋面积As

　　=(88.9+27.5*0.7)*106/(470*300)=767mm；

　　式中为包脚高度，对轻型工字形截面柱≥2.0hc，取0.7m。

　　钢筋配置：选用220+18，即

　　X向：220+18，782.5mm；

　　Y向：220+18，782.5mm；（2257mm，0.91%）。

　　4.5.2植筋的锚固深度

　　植筋的基本锚固深度（混凝土结构加固设计规范12.2.3）

　　＝0.2*1.0*20*300/3.4＝353mm；

　　植筋的锚固深度设计值（混凝土结构加固设计规范12.2.2-2）

　　＝1.265*1.0*353＝446.5mm；取500mm。

　　用于植筋的钢筋混凝土构件最小厚度＝500+2*25＝550mm(注：D为钻孔直径),实际承台高度为1.45m，可满足要求。

　　4.6箍筋配置

　　外包钢筋混凝土短柱中的箍筋参照型钢混凝土框架柱柱端箍筋加密区进行配置，根据《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001第6.2.1条，沿短柱全高全长设置8＠150(Asv＝101mm)，并于柱上端设置38＠50进行加密。