王冰仓

(洛阳石油化工工程公司土建室，河南 洛阳 471003)

火炬塔架属空间桁架结构，因其高度常常达100多米，质量又很轻，风荷载常成为控制设计的荷载。因柱底常出现拔力不能考虑底板与混凝土之间的摩擦力，而《钢结构设计规范》又规定柱脚锚栓不宜用于承受剪力，因此需要设置抗剪键。抗剪键的设计，在现行各种结构设计规范中并没有具体的计算方法，现结合工程实践探讨抗剪键设计的方法。

设计资料:该塔架高114 m，采用四边形平面布置，地面层边长20 m。在沿对角线风荷载的作用下，图1中84号支座的水平反力最大。

最不利内力如下:

垂直力:Fy=－2927 kN。

水平力:Fx=535 kN，Fz=535 kN。

钢材强度等级:Q235，fy=235 N/mm2，fv=125 N/mm2。

混凝土强度等级:C30，fc=14.3 N/mm2。

1 抗剪键截面按轧制H型钢HW400×400设计

截面尺寸:

翼缘:bf=400 mm，tf=21 mm。

腹板:h=400 mm，tw=13 mm，hw=400－30=370 mm。截面示意图见图2。

图1 塔架在风荷载作用下的水平反力

图2 截面示意图

抗剪键长度:取L=400 mm＜1.5h=600 mm。

截面特性:

1)中性轴以上截面，z轴左半部分截面分别对x及z轴的面积矩:

Sx=(0.5hw× tw)× 0.25hw+bf× tf× (0.5hw+0.5tf)，Sx=1800 mm3;

Sz=4 × (0.5bf× tf)×0.25bf，Sz=840 mm3。

2)整个截面绕x及z轴的惯性矩:

Ix=2bf× tf× (0.5hw+0.5tf)2+twh3w/12=20500 mm4，Ix=65000 mm4;

Iz=(2tf×b3f+hwt3w)/12，Iz=22000 mm4。

3)角点a处的截面抵抗矩:

Wx=Ix/0.5h，Wx=3300 mm3;

Wz=Iz/0.5bf，Wz=1100 mm3。

2 抗剪键强度计算

2.1 抗剪键受力分析

抗剪键通过与底板的连接焊缝将柱脚水平力传至基础，水平力作用下抗剪键受力类似于悬臂梁，假定混凝土压应力沿抗剪键长度方向为三角形分布。

计算截面作用计算:

剪力:Vx=Fx=535，Vz=Fz=535。

弯矩:Mx=Vz×L/3=71.2，Mz=Vx×L/3=71.2(见图3 ～图5)。

图3 压应力分布图

图4 剪力

图5 弯矩

2.2 抗剪强度计算

应力计算位置:

b点:τb=Vz×Sx/(Ix×tw)=113.4 N/mm2＜fv=125 N/mm2。

c点:τc=1.5 ×Vx/(2bf×tf)=47.8 N/mm2＜ fv=125 N/mm2。

2.3 抗弯强度计算

a点:σa=Mx/wx+Mx/wz=127.3 N/mm2＜ fy=215 N/mm2。应力计算位置见图6。

2.4 折算应力计算

轧制型钢梁，不必验算。

3 抗剪键与柱脚底板的连接焊缝计算

采用直角角焊缝，沿H型钢周围围焊。……