¿Cuáles son los tipos comunes de bases de columnas para la construcción de estructuras de acero?

Este artículo presenta principalmente algunas formas, diseños y prácticas comunes para bases de columnas de estructura de acero

Clasificación de la base de la columna de acero

1. Según el tipo de soporte, se puede dividir en bases de columna rígidamente conectadas y bases de columna con bisagras.

2. Según la forma estructural, se puede dividir en: base de columna incrustada, base de columna externa, base de columna insertada y base de columna expuesta.

La tYpe y Mmecánico PrOperties de Columna BPlaza bursátil norteamericana

(1) La base de la columna expuesta conecta la parte inferior de la columna a una placa base relativamente rígida mediante la soldadura, que se fija con pernos de anclaje incrustados en la base de concreto. Este formulario ha estado en uso desde las primeras etapas del desarrollo de la estructura de acero hasta hoy. Tradicionalmente, las bases de columna se clasifican y se usan como bisagras o conectadas rígidamente. Sin embargo, el primero es difícil de lograr una articulación completa, o aunque puede transmitir una cierta cantidad de momento de flexión, no puede cumplir con las condiciones de rigidez completamente indirectas. Desde una perspectiva mecánica, es más apropiado considerarlo como una conexión semi rígida. El modo principal de transmitir el momento de flexión en este tipo de base de columna se muestra en la Figura 1. En la base de la columna, se aplican la fuerza axial, el momento de flexión y la fuerza de corte. La tensión y la presión se transmiten a través del contacto entre la placa base de la columna y la base de concreto. La fuerza de corte se resiste por la fricción entre la placa base de la columna y la superficie de contacto de la base o transmitida por pernos de anclaje.

P1 El principio de transmisión de fuerza para bases de columna expuestas

En la mayoría de los casos, el momento de flexión de plástico en la parte inferior de una columna determinada por el rendimiento de los pernos de anclaje es relativamente pequeño en comparación con el momento de flexión de plástico en la sección transversal de la base de columna expuesta y la raíz de la columna. El comportamiento mecánico de la base de la columna en el momento de flexión se determina principalmente por el rendimiento de los pernos de anclaje. La relación de deformación de carga se muestra en la Figura 2. Si el perno de anclaje puede desarrollar completamente la deformación plástica después de ceder bajo tensión, las características de la fuerza de restauración de la base de la columna expuesta bajo cargas repetidas se muestran en la Figura 3. Sin embargo, en el diseño de ingeniería real, el diseño real La base de la columna a menudo se rompe en la parte roscada antes de la sección debilitada del perno de anclaje, o existe una alta posibilidad de que el perno de ancla se extraiga debido a un anclaje insuficiente. En este caso, es difícil ver suficiente deformación plástica de la base de la columna.

P3 Resiliencia de bases de columna expuestas bajo cargas repetidas

(2) Base de columna subcontratada

La base de la columna subcontratada está envuelta en concreto reforzado dentro de un rango de 2.5-3 veces la altura de la sección transversal de la columna (tamaño de sección transversal máxima) en la parte inferior de la columna de acero (Figura 4). Esta forma de base de columna está diseñada como una base de columna fija, y si se diseña correctamente, puede garantizar el grado de fijación y capacidad de carga de la base de columna. El comportamiento mecánico de esta base de columna está determinado principalmente por el comportamiento mecánico del concreto envuelto con barras de acero.

P4 Base de columna subcontratada

(3) base de columna incrustada

La base de columna incrustada incrusta el fondo de la columna de acero con una longitud equivalente a aproximadamente el doble de la altura de la sección transversal en el concreto de la base. El área circundante está reforzada con concreto reforzado (Figura 5). Desde la perspectiva de la conveniencia de la construcción, este tipo de base de columnas tiene más procesos en comparación con otras formas de bases de columnas, lo que resulta en un aspecto desfavorable del período de construcción. Sin embargo, el concepto estructural es muy claro, ya que puede cumplir fácilmente con los requisitos de formar bisagras de plástico en la parte inferior de la columna de acero. Por lo tanto, mientras el diseño y la construcción sean correctos, las características de la fuerza de restauración de la base de la columna pueden mostrar una relación en forma de huso estable. Las principales consideraciones de diseño son garantizar la profundidad de la base de la columna y el grosor del concreto circundante para la parte incrustada de la columna de acero.

P 5 Base de columna incrustada

(P 6) muestra las características de la fuerza de restauración de la base de la columna cuando la profundidad de entierro de la columna cambia de acuerdo con 1D, 2D y 3D (d: altura de la sección de columna). Las características de la fuerza de restauración cambian con la profundidad de entierro de la base de la columna, pero en la medida en que la profundidad de entierro alcanza el doble de la altura de la sección de la columna, se puede considerar que básicamente se convierte en una forma del eje. Para considerar la unión con el concreto circundante, también existe un método de diseño de pernos de soldadura en la parte incrustada de la columna, pero los pernos solo funcionan cuando hay una separación significativa entre la parte incrustada de la columna de acero y el circundante concreto. Dentro del rango esperado de carga de diseño, no se producirá una separación tan grande, por lo que se puede considerar que básicamente no existe tal efecto.

P6 Restauración Características de la fuerza de los pies de columna integrada

El concreto alrededor de la base de columna incrustada está sujeto al momento de flexión y la fuerza de corte que actúa en la parte inferior de la columna, lo que resulta en una presión significativa (ver P 7). Por lo tanto, es necesario garantizar el grosor de la capa externa para evitar el golpe y la falla del corte. Para la columna central, generalmente no hay problema, pero para la columna de borde y la columna de esquina, el grosor exterior debe determinarse en función de los cálculos. Si no se puede garantizar el grosor de concreto necesario debido a problemas como edificios adyacentes o líneas rojas, el refuerzo de acero debe usarse para el refuerzo necesario.

2 、 Puntos básicos del diseño y construcción de la base de columnas

Para garantizar la seguridad sísmica de los nodos base de la columna, es necesario comprender completamente las características mecánicas de la base de la columna y llevar a cabo el diseño y la construcción correctamente.

Para el diseño, en primer lugar, es necesario especificar claramente el rendimiento de la base de columna bajo el estado de límite de servicio. En segundo lugar, en el último estado de capacidad de soporte, es necesario considerar el rendimiento de la columna de acero y la base de la columna. Es decir, bajo el estado límite de uso, la base de columna diseñada como una conexión con bisagras no debe generar momentos de flexión, y en cierta medida, la base de columna considerada como una conexión fija debe ser capaz de girar, que pertenece a rígido conexiones y pueden llevar momentos de flexión. Además, las bases de columna expuestas generales, los pernos de anclaje, las placas base de la columna, etc., todos sufren deformación elástica. No se puede lograr una conexión rígida completa. Además, en el último estado de capacidad de soporte, se producirán bisagras de plástico en la base de la columna, lo que requiere una mayor capacidad de rotación de plástico. El diseño detallado de la base de columna debe llevarse a cabo de acuerdo con los requisitos de la Política de diseño.

Por lo tanto, para el uso del diseño de estado límite, la rigidez rotacional de la base de la columna debe evaluarse adecuadamente, la rigidez de la base de la columna debe considerarse en el análisis estructural para obtener la fuerza interna del diseño y la fuerza interna que actúa sobre la base de la columna Debe ser capturado con precisión. El diseño adecuado para la fuerza axial, la flexión corta y la fuerza de corte es un requisito básico.

Los puntos de diseño de varias formas de bases de columna se describen por separado a continuación.

(1) Base de columna expuesta

Es bastante difícil lograr una bisagra completa o una conexión rígida para bases de columna expuestas. Sin embargo, si se cumplen las siguientes condiciones, se puede suponer que la base de la columna se diseña como bisagras: la placa base de la columna tiene una gran rigidez, que puede suprimir la deformación local y seleccionar una longitud de perno de anclaje adecuada, de modo que la parte roscada de la El perno de anclaje no se rompe antes de que la deformación plástica se desarrolle dentro de la longitud completa del perno de anclaje; La parte adhesiva del perno de anclaje en la base de concreto puede evitar golpes y daños por corte. Sin embargo, en esta situación, se debe asegurar que la fuerza de cojinete de tracción del perno de anclaje sea mayor que la tensión de la base de la columna causada por la fuerza horizontal (sin considerar el efecto de la carga viva). El valor menor de 1/2 de la capacidad de rendimiento de rendimiento de tracción de la columna. Es mejor colocar las teclas de corte debajo de la placa base de la columna para garantizar la resistencia a las fuerzas horizontales.

Cuando la base de la columna expuesta está diseñada como una base de columna resistente a la flexión, la tensión generada por el momento de flexión es soportada por el perno de anclaje, y la superficie de contacto entre la placa de la base de la columna y el concreto de la base lleva la presión. En la etapa de diseño preliminar, generalmente se supone que la placa base de la columna es un componente rígido conectado, y el perno de anclaje se usa como refuerzo de tracción, y el área de la placa de base se usa como sección transversal del concreto reforzado columna. Según este resultado del cálculo, se selecciona la sección transversal del perno de anclaje. En este caso, cuando la sección transversal de la columna es grande hasta cierto punto, a menudo es difícil elegir los pernos de anclaje suficientemente gruesos para garantizar la capacidad de carga necesaria. Por lo tanto, es difícil diseñar una base de columna con una capacidad de soporte de flexión mayor que la capacidad de soporte de flexión de la sección de la columna. Si se puede usar un cierto grado de pernos de anclaje de alta resistencia, este problema debe resolverse. Sin embargo, una vez que se utilizan los pernos de anclaje de alta resistencia, puede causar problemas de diseño y construcción para evitar la falla de perforación y corte del concreto de la base anclado, y el problema de la presión excesiva entre la placa base de la columna y el concreto de la base a continuación también . Por lo tanto, la capacidad de soporte de diseño de las bases de columna expuestas se determina principalmente no por la capacidad de carga de la columna sino por la capacidad de carga de la base de la columna. En este caso, la capacidad de soporte de flexión de la base de la columna debe alcanzar al menos 1/2 de la capacidad de flexión de flexión de la columna en sí. Además, para garantizar la capacidad de deformación plástica, los requisitos de diseño y construcción de cada parte de la base de la columna también deben tener las mismas condiciones de garantía que la base de columna articulada mencionada anteriormente. Además, en este caso, es necesario evaluar correctamente la rigidez rotacional y la restauración de las características de la fuerza de la base de la columna y reflejarlas en el diseño del marco.

Después de considerar los puntos anteriores, el contenido específico de varios proyectos relacionados con el diseño de bases de columnas expuestas es el siguiente (consulte P 8 y ​​P 9).

P 9 Principio de transmisión de fuerza de la base de columna enterrada externa

1. Rotación debido a la alargamiento del perno de ancla

2. La placa inferior básicamente no produce deformación de flexión

3. La falla de corte de empuje que comienza con los componentes de anclaje no puede ocurrir

4.No Daño al concreto sobre el suelo

5. Fuerza de corte residual con teclas de corte

a) Placa base de columna

Para garantizar que la placa base de la columna pueda mantener la elasticidad incluso en el estado final de la capacidad de carga y determinar el grosor de la placa o proporcionar un refuerzo adecuado para este propósito. Como resultado, la placa inferior diseñada puede considerarse como un componente rígido, y la evaluación de la rigidez de la base de la columna se puede hacer sin considerar la influencia de la deformación de la placa inferior. Sin embargo, la soldadura entre la placa base y la columna adopta una conexión totalmente soldada. Debajo de la placa base, la soldadura puede resistir la fuerza de corte que actúa sobre ella.

b) perno de anclaje

B-1. Se requiere que la deformación plástica de la base de la columna sea generada por el perno de anclaje bajo el último estado de capacidad de carga.

Los pernos de anclaje están hechos de materiales de acero como Q235B y Q355B que pueden garantizar la relación de resistencia de rendimiento y la capacidad de deformación plástica.

La parte roscada del perno de anclaje se procesa y se divide en ambos extremos del perno de anclaje para asegurarse de que la parte roscada no se rompa antes de que la varilla del perno alcance el rendimiento de la sección completa. La longitud de la varilla del perno es más de 25 veces su diámetro. Aplique el recubrimiento o envoltura anti -óxido a la sección de la varilla del perno. Al fijar la placa base del perno, se usan dobles tuercas para evitar la rotación. El extremo incrustado en el concreto de la base está equipado con componentes de anclaje para evitar que el perno de anclaje se retire.

B-2. Bajo el estado límite de capacidad de carga, se requiere que la columna genere la deformación plástica de la base de la columna.

No hay restricciones sobre la resistencia, la relación de rendimiento y la capacidad de deformación plástica de los materiales de pernos de anclaje. Sin embargo, la selección del área de sección transversal del perno de anclaje debe garantizar que el momento de flexión en la columna y la tensión en la parte roscada del perno de ancla La varilla de perno de anclaje.

Instale las piezas roscadas de longitud necesarias en ambos extremos del perno de anclaje. El ajuste de longitud de la varilla de perno de anclaje debe considerar evitar que el concreto de la base se dañe mediante perforación y corte a partir del punto de fijación del perno de anclaje. Al fijar la placa base de la columna, se usan tuercas dobles para evitar la rotación. El extremo incrustado en el concreto de la base debe estar equipado con sujetadores de anclaje para evitar que el perno de anclaje se retire.

C Foundation Concrete

Cuando la parte de la columna corta en la base del concreto se somete a presión de la placa inferior de la columna, la parte común no debe dañarse. Por lo tanto, debe haber suficiente amplificación de tamaño en relación con la placa base de la columna. Se deben proporcionar barras de acero adicionales en el lado exterior del perno de anclaje. Además, al soportar el estado límite final, es necesario garantizar la profundidad y el ancho necesarios para evitar la falla de cizallamiento de perforación de concreto que comienza desde el punto de fijación del perno de anclaje.

d. Lechada

Asegúrese de un espacio suficiente entre la superficie superior de la base de concreto y la placa inferior de la columna para llenar con mortero. El mortero adopta el mortero de no contracción de fuerza.

a) Asegúrese de que la posición del plano y el tamaño de longitud sobresaliente de los pernos de anclaje incrustados en la base de concreto b) Tratamiento de prevención de óxido de los pernos de ancla e) Apretado y prevención de rotación de los pernos de anclaje

Como se mencionó anteriormente, hay muchos problemas que deben abordarse en el diseño y construcción de bases de columnas expuestas, y cualquiera de ellos no puede lograr el rendimiento requerido. Por lo tanto, es necesario comprender completamente esto. Especialmente la dificultad para comprar productos Anchor Bolt que cumplan con los requisitos anteriores en el mercado es un problema importante.

Por otro lado, ya existen métodos de construcción del pie de columna expuestos que tienen en cuenta los puntos anteriores y comprenden sus propiedades mecánicas a través de experimentos estructurales. Determine y aplique detalles de diseño estandarizados en otros países, implemente un sistema de construcción responsable y garantice la calidad de la construcción.

(2) Base de columna subcontratada

La base de la columna subcontratada (ver P 4) puede cumplir con los requisitos de diseño de la conexión rígida en el fondo de la columna siempre que el diseño correcto se realice en el concreto reforzado de la parte subcontratada. Es decir, para garantizar una altura equivalente a 2.5 veces la altura de la sección transversal de la columna. La fuerza de corte que actúa sobre la sección transversal de la columna superior del concreto exterior se trata como una carga concentrada que actúa sobre el concreto externo de tipo voladizo. Diseñe esto para que el estrés transmitido por la columna de acero se transmitiera al concreto reforzado envuelto. En este caso, los pernos de anclaje en la parte inferior de la columna solo pueden soportar la fuerza interna durante la instalación. Para garantizar que la transferencia de tensión de la columna de acero al concreto reforzado en la posición superior, las barras de acero reforzadas se instalen en la parte superior, y las barras longitudinales en las cuatro esquinas del concreto exterior se refuerzan con aros en la parte superior, asegurando que las barras Espesor de la capa protectora necesaria (consulte P 10).

(3) Pies de rama enterrados

La base de columna incrustada (consulte P 5) debe garantizar una profundidad de entierro equivalente a más del doble de la altura de la sección de la columna. La columna de acero que rodea la parte incrustada debe equiparse adecuadamente con barras de acero. A través de estas medidas, la base de la columna se puede diseñar con suficiente resistencia y la deformación plástica puede ocurrir en el extremo inferior de la columna. Es decir, es relativamente fácil diseñar bases de columnas que permitan que las columnas de acero ejercen la capacidad de deformación plástica. Sin embargo, la base de la columna incrustada requiere que la columna de acero incrustada en el concreto de la base transmita la fuerza de reacción de la columna de acero al concreto circundante a través de la presión, asegurando la profundidad de entierro de la columna y el grosor del concreto alrededor de la columna es el punto clave de El diseño (consulte P 7). Si la profundidad del entierro no es suficiente o el grosor del concreto circundante es demasiado pequeño, causará fallas en el cizallamiento del concreto, y la base de la columna puede dañarse antes de que la deformación plástica de la columna se desarrolle completamente (consulte P 11) .

El concreto alrededor de la columna transmite la fuerza a través de la compresión mutua con el cuerpo de la columna, causando la deformación del plano local del panel de la columna. Es un buen método para agregar una placa de partición de endurecimiento (consulte la Figura 7) o llene la columna con concreto en una columna de acero ligeramente más baja que la parte superior del concreto de la base.

Al diseñar razonablemente la base de la columna integrada, las bisagras de plástico se pueden formar bajo el último estado de rodamiento de la columna. Por lo tanto, la columna en sí debe tener suficiente capacidad de deformación plástica. Por lo tanto, el acero que puede causar falla frágil en su límite, como tuberías de acero cuadrados formados por frío, no debe usarse tanto como sea posible en esta situación.

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