Расчёт базы колонны на срез и отрыв анкеров

Функция базы колонны и состав узла

База колонны — опорный узел, передающий усилия от стальной колонны на железобетонный или бетонный фундамент. В состав узла входят опорная (торцевая) плита, траверсы и рёбра жёсткости, а также анкерные (фундаментные) болты. Плита распределяет сосредоточенное усилие колонны по площади опирания; болты удерживают конструкцию от опрокидывания и скольжения.

На практике база колонны работает в условиях совместного действия продольной силы N, изгибающего момента M и поперечной силы Q. Именно комбинация M и N определяет, находятся ли все болты в сжатии или часть из них воспринимает растягивающее усилие. Расчёт базы колонны на анкеры необходимо выполнять для двух расчётных сочетаний: максимального сжатия с минимальным моментом и максимального момента с минимальным (или отрицательным) значением продольной силы.

Конструктивно болты размещают попарно по обеим сторонам от стенки колонны симметрично. Число болтов — не менее четырёх для внецентренно нагруженных баз. Тип болтов выбирается по ГОСТ 24379.1: наиболее распространены болты с анкерной плитой (тип 2) и изогнутые болты (тип 1) диаметром от М20 до М56 в зависимости от усилий.

Определение усилий в анкерных болтах при моментной нагрузке

Эпюра контактных напряжений под опорной плитой при внецентренном приложении нагрузки имеет трапециевидный или треугольный вид. Если эксцентриситет e = M/N не выходит за пределы ядра сечения плиты, давление по всей площади остаётся сжимающим и болты воспринимают лишь конструктивные усилия. При большем эксцентриситете на растянутой стороне плиты возникают отрывающие усилия, которые полностью воспринимаются анкерными болтами.

Усилие растяжения в болтах N_bt определяется из условия равновесия опорного узла. При упрощённой расчётной модели (принятой в большинстве отечественных пособий к СП 16.13330) суммарное растягивающее усилие в болтах одной растянутой стороны вычисляется как: N_bt = (M - N·a_c) / a_bt, где a_c — расстояние от оси колонны до равнодействующей сжимающих напряжений, a_bt — расстояние от оси болтов до точки приложения равнодействующей сжатия. Точное положение нейтральной оси определяется итерационно, однако на стадии предварительного расчёта допустимо принять a_c равным расстоянию до края плиты на сжатой стороне.

Полученное расчётное усилие N_bt делится на число болтов на растянутой стороне. Каждый болт проверяется из условия N_bt,i ≤ R_ba · A_bn, где R_ba — расчётное сопротивление стали болта на растяжение, A_bn — площадь сечения нетто по резьбе. Значения R_ba принимаются по таблицам СП 16.13330 в зависимости от класса стали болта (обычно сталь Ст3, 09Г2С или специальные болтовые стали).

Проверка болтов на срез и совместное действие усилий

Поперечная сила Q в базе колонны может восприниматься двумя путями: силами трения между опорной плитой и подливочным слоем (цементный раствор или подливка без усадки) или специальными упорами — шпонками, приваренными к нижней поверхности опорной плиты. Согласно нормам проектирования стальных конструкций, при наличии сжимающей нормальной силы допускается учитывать трение с коэффициентом не более 0,3–0,35 для поверхности «сталь по цементной подливке». Если трения недостаточно — вводят упор или проверяют болты на срез.

При расчёте болтов на срез усилие на один болт Q_i = Q / n_b (при равномерном распределении). Проверяется условие Q_i ≤ R_bv · A_b, где R_bv — расчётное сопротивление болтовой стали на срез, A_b — площадь сечения болта брутто. Значение R_bv принимается по нормативным таблицам и составляет порядка 0,58R_ba для пластической стадии. Следует учитывать, что болты на растянутой стороне одновременно несут растягивающее усилие, поэтому для них необходима проверка на совместное действие растяжения и среза по взаимодействующей формуле вида (N_bt,i/N_btu)² + (Q_i/Q_bvu)² ≤ 1.

На практике грамотные конструкторы стараются не опирать восприятие среза на болты: предпочтительнее установить упорную шпонку под плитой или заложить соответствующий паз в фундаменте. Это разгружает болты и повышает надёжность узла. Упор рассчитывается на смятие бетона и на срез сварного шва крепления к плите.

Расчёт опорной плиты на изгиб от реактивного давления

Опорная плита рассчитывается как плоская плита на упругом основании, загруженная снизу реактивным давлением фундамента. Плита условно делится на расчётные участки в зависимости от условий опирания: консольные свесы за траверсами, участки между рёбрами и траверсами с трёх- или четырёхсторонним опиранием, участки в пролёте между ветвями сквозной колонны.

Для каждого расчётного участка определяется изгибающий момент M_pl на единицу ширины. Для консольного участка шириной c от края траверсы до края плиты: M_pl = σ_max · c² / 2, где σ_max — максимальное краевое давление на данном участке. Затем требуемая толщина плиты t_pl = √(6M_pl / R_y), где R_y — расчётное сопротивление стали плиты по пределу текучести. По ГОСТ 27772 для листового проката класса С245 R_y = 240 МПа, класса С345 — 315 МПа (для толщин до 20 мм).

Минимальная конструктивная толщина опорной плиты принимается не менее 20 мм и не менее 1,5 диаметра болта для обеспечения нормальной работы болтового соединения. При значительных моментных нагрузках толщина плиты может достигать 40–60 мм; в таких случаях целесообразно усиливать плиту дополнительными рёбрами или увеличивать размеры траверс.

Конструирование анкерной заделки и требования ГОСТ 24379.1

Глубина заделки анкерного болта в фундаменте — один из ключевых конструктивных параметров. Она определяется из условия выдёргивания болта из массива бетона и зависит от диаметра болта, класса бетона и конструктивного исполнения нижнего конца болта. Болты с анкерной плитой (тип 2 по ГОСТ 24379.1) работают эффективнее изогнутых при высоких отрывающих усилиях и требуют меньшей глубины заделки при сопоставимой несущей способности.

Стандарт ГОСТ 24379.1-2012 устанавливает типы, конструкцию и размеры фундаментных болтов диаметром от М12 до М140. Болты изготавливаются из углеродистых (Ст3, сталь 20) и низколегированных (09Г2С, 40Х) сталей. Для условий с расчётной температурой ниже минус 40 °С и динамическими воздействиями рекомендуется применять сталь 09Г2С с гарантированным ударным поглощением. Класс прочности болта выбирается конструктором по расчёту.

Расстояние между осями болтов должно быть не менее 3d (где d — диаметр болта) по нормативным требованиям к болтовым соединениям, а расстояние от оси болта до края бетонного фундамента — не менее 10d. Заливка анкерных болтов осуществляется вместе с бетонированием фундамента с использованием кондукторов для фиксации положения болтов в проектном положении. Допуски на расположение болтов в плане составляют ±5 мм для одиночного болта и ±3 мм для группы, что существенно влияет на трудоёмкость монтажа колонны.

Проверка несущей способности бетона под опорной плитой

Проверка прочности бетона под плитой выполняется по условию σ_max ≤ R_b,loc — расчётного сопротивления бетона на местное сжатие (смятие). R_b,loc учитывает благоприятный эффект объёмного напряжённого состояния в приопорной зоне и превышает призменную прочность бетона R_b. При равномерном распределении давления и достаточных размерах фундамента R_b,loc может превышать R_b в 1,5–2 раза.

Если давление σ_max выходит за пределы R_b,loc, необходимо увеличить площадь опорной плиты либо повысить класс бетона фундамента. На практике при реконструкции часто возникает ситуация, когда увеличить размеры плиты невозможно — тогда под плиту устраивают специальный распределительный лист из стали или цементно-полимерную подливку с повышенными прочностными характеристиками.

Следует также проверить фундамент на продавливание от сосредоточенной нагрузки и на прочность анкерной зоны при действии отрывающего усилия. Последнее особенно актуально для фундаментов малой высоты или при расположении нескольких колонн на общем ростверке. Расчёт железобетонного фундамента при этом ведётся по СП 63.13330.

Типичные ошибки проектирования и контроль на стройплощадке

Наиболее частая ошибка — недооценка изгибающего момента в базе при расчёте только на центральное сжатие. В реальных рамных конструкциях с жёсткими узлами колонны передают на фундамент значительные опрокидывающие моменты, особенно при ветровых и сейсмических воздействиях. Необходимо всегда проверять базу для расчётного сочетания «минимальное сжатие + максимальный момент», которое часто оказывается определяющим для болтов.

Другая распространённая ошибка — неправильная приёмка болтов на стройплощадке. Болты должны сопровождаться сертификатом качества с указанием марки стали, диаметра, типа и длины, подтверждённым результатами входного контроля. Затяжка гаек анкерных болтов выполняется после выверки колонны в проектное положение и до подливки зазора между плитой и фундаментом. Момент затяжки нормируется для расчётных болтов и должен контролироваться динамометрическим ключом.

Коррозионная защита анкерных болтов требует особого внимания: открытая резьбовая часть над плитой и зазор между плитой и фундаментом — зоны концентрации влаги. Рекомендуется обеспечить надёжную подливку без полостей, а видимую часть болтов и гайки защитить антикоррозионными составами или горячим цинкованием. Для агрессивных сред следует предусматривать нержавеющие или термодиффузионно оцинкованные болты класса по коррозионной стойкости не ниже Кс3 по ГОСТ Р ИСО 1461.

Практические рекомендации и роль комплектующего поставщика

При проектировании баз колонн рекомендуется заблаговременно согласовывать номенклатуру анкерных болтов с поставщиком металлопроката и метизов. Болты крупных диаметров (М48 и выше) часто изготавливаются на заказ, а сроки производства могут составлять 3–6 недель. Включение болтов в сводную ведомость металла на ранних стадиях проектирования позволяет избежать срыва графика монтажа.

Опорные плиты вырезаются из толстолистового проката. Для ответственных узлов рекомендуется сталь классов С345 или С390 с нормированным ударным поглощением при отрицательных температурах. Стальфа как сервис-интегратор помогает подобрать листовой прокат нужных размеров и толщин у проверенных поставщиков, обеспечить термообработку при необходимости и скомплектовать весь металл базы — плиты, траверсы, рёбра и болты — единой поставкой по одной заявке.

Расчёт базы колонны на срез и отрыв анкеров — задача, требующая внимательного учёта всех расчётных сочетаний нагрузок и тщательного конструирования. Ошибки в этом узле относятся к числу наиболее опасных, поскольку разрушение базы ведёт к потере устойчивости всей колонны. Грамотное взаимодействие проектировщика, поставщика и монтажной организации — залог надёжной работы узла на весь срок службы здания или сооружения.

Частые вопросы