格構(gòu)式柱、柱梁連接

..軸心受壓構(gòu)件整體彎曲后,沿桿長(zhǎng)各截面上將存在彎矩和剪力。對(duì)實(shí)腹式構(gòu)件,剪力引起的附加變形很小,對(duì)臨界力的影響只占3／1000左右。因此,在確定實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定的臨界力時(shí),僅僅考慮了由彎矩作用所產(chǎn)生的變形,而忽略了剪力所產(chǎn)生的變形。對(duì)于格構(gòu)式柱,當(dāng)繞虛軸失穩(wěn)時(shí),情況有所不同,因肢件之間并不是連續(xù)的板而只是每隔一定距離用綴條或綴板聯(lián)系起來(lái)。柱的剪切變形較大,剪力造成的附加撓曲影響就不能忽略。在格構(gòu)式柱的設(shè)計(jì)中,對(duì)虛軸失穩(wěn)的計(jì)算,常以加大長(zhǎng)細(xì)比的辦法來(lái)考慮剪切變形的影響,加大后的長(zhǎng)細(xì)比稱為換算長(zhǎng)細(xì)比。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)綴條柱和綴板柱采用不同的換算長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式。<1>雙肢綴條柱根據(jù)彈性穩(wěn)定理論,當(dāng)考慮剪力的影響后,其臨界力的表達(dá)為：式中——格構(gòu)柱繞虛軸臨界力換算為實(shí)腹柱臨界力的換算長(zhǎng)細(xì)比?！?.25——單位剪力作用下的軸線轉(zhuǎn)角〔單位剪切角。現(xiàn)取圖5．16<a>的一段進(jìn)行分析,以求出單位剪切角。如圖5．16<b>所示,在單位剪力作用下一側(cè)綴材所受剪力。設(shè)一個(gè)節(jié)間內(nèi)兩側(cè)斜綴條的面積之和A1,其內(nèi)力；斜綴條長(zhǎng),則：斜綴條的軸向變形為：A1——斜綴條總面積假設(shè)變形和剪切角是有限的微小值,則由引起的水平變位為：故剪切角為：〔5.26這里,為斜綴條與柱軸線間的夾角,代入式〔5.25中得：〔5.25〔5.27一般斜綴條與柱軸線間的夾角在400～700范圍內(nèi),在此常用范圍,的值變化不大<圖5.17>,我國(guó)規(guī)范加以簡(jiǎn)化取為常數(shù)27,由此得雙肢綴條柱的換算長(zhǎng)細(xì)比為：〔5.28式中——整個(gè)柱對(duì)虛軸的長(zhǎng)細(xì)比〔不計(jì)綴材；A——整個(gè)柱肢的毛截面面積；A1——一個(gè)節(jié)間內(nèi)兩側(cè)斜綴條毛截面面積之和。需要注意的是,當(dāng)斜綴條與柱軸線間的夾角不在400～700范圍內(nèi)時(shí),值將大27很多,式<5．28>是偏于不安全的,此時(shí)應(yīng)按式<5.27>計(jì)算換算長(zhǎng)細(xì)比。<2>雙肢綴板柱雙肢綴板柱中綴板與肢件的連接可視為剛接,因而分肢和綴板組成一個(gè)多層框架,假定變形時(shí)反彎點(diǎn)在各節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)[圖5.18<a>]。若只考慮分肢和綴板在橫向剪力作用下的彎曲變形,取分離體如圖5．18<b>所示,A為分肢橫截面積之和；l1分肢節(jié)間高度；a分肢軸間距；I1分肢繞弱軸的慣性矩；Ib綴板的慣性矩；可得單位剪力作用下綴板彎曲變形引起的分肢變位為：5．4．2．3綴材設(shè)計(jì)<1>軸心受壓格構(gòu)柱的橫向剪力格構(gòu)柱繞虛軸失穩(wěn)發(fā)生彎曲時(shí),綴材要承受橫向剪力的作用。因此,需要首先計(jì)算出橫向剪力的數(shù)值后才能進(jìn)行綴材的設(shè)計(jì)。圖5．19所示一兩端鉸支軸心受壓柱,繞虛軸彎曲時(shí),假定最終的撓曲線為正弦曲線,跨中最大撓度為：則沿桿長(zhǎng)任一點(diǎn)的撓度為：式中——按虛軸換算長(zhǎng)細(xì)比確定的整體穩(wěn)定系數(shù)。令N＝,即得《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的最大剪力的計(jì)算式：〔5.33在設(shè)計(jì)中,將剪力V沿柱長(zhǎng)度方向取為定值,相當(dāng)于簡(jiǎn)化為圖5．19<c>的分布圖形。<2>綴條的設(shè)計(jì)綴條的布置一般采用單系綴條圖5．20<a>,也可采用交叉綴條[圖5．20<b>]。綴條可視為以柱肢為弦桿的平行弦桁架的腹桿,內(nèi)力與桁架腹桿的計(jì)算方法相同。在橫向剪力作用下,一個(gè)斜綴條的軸心力為<圖5.20>：〔5.34式中V1——分配到一個(gè)綴材面上的剪力；n——承受剪力V1的斜綴條數(shù)。單系綴條時(shí),n＝1；交叉綴條時(shí),n＝2；——綴條的傾角<圖5.20>。由于剪力的方向不定,斜綴條可能受拉也可能受壓,應(yīng)按軸心壓桿選擇截面。綴條一般采用單角鋼,與柱單面連接,考慮到受力時(shí)的偏心和受壓時(shí)的彎扭考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)>時(shí),應(yīng)按鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以下列折減系數(shù)；①按軸心受力計(jì)算構(gòu)件的強(qiáng)度和連接時(shí),＝0.85。②按軸心受壓計(jì)算構(gòu)件的穩(wěn)定性時(shí)等邊角鋼＝0．6十0．00l5A,但不大于1．0短邊相連的不等邊角鋼＝0．5十0．0025,但不大于1.0長(zhǎng)邊相連的不等邊角鋼＝0．70為綴條的長(zhǎng)細(xì)比,對(duì)中間無(wú)聯(lián)系的單角鋼壓桿、按最小回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算,當(dāng)＜20時(shí),取＝20。交叉綴條體系[圖5．20<b>]的橫綴條按受壓力N＝Vl計(jì)算。為了減小分肢的計(jì)算長(zhǎng)度,單系綴條[圖5.20<a>]也可加橫綴條,其截面尺寸一般與斜綴條相同,也可按容許長(zhǎng)細(xì)比〔[]=150確定。<3>綴板的設(shè)計(jì)綴板柱可視為一多層框架<肢件視為框架立柱,綴板視為橫梁>。當(dāng)它整體撓曲時(shí),假定各層分肢中點(diǎn)和綴板中點(diǎn)為反彎點(diǎn)[圖5．18<a>]。從柱中取出如圖5．2l<b>所示脫離體,可得綴板內(nèi)力為：剪力：〔5.35彎矩〔與肢件連接處：〔5.36式中——綴板中心線間的距離；a——肢件軸線間的距離。綴板與肢體間用角焊縫相連,角焊縫承受剪力和扭矩的共同作用。由于角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值小于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,故只需用上述M和T驗(yàn)算綴板與肢件間的連接焊縫。綴板應(yīng)有一定的剛度。規(guī)范規(guī)定,同一截面處兩側(cè)綴板線剛度之和不得小于一個(gè)分肢線剛度的6倍。一般取寬度d≥2a／3[圖5．21<b>],厚度t≥a／40,并不小于6mm。5．4．2．4格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)步驟格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)需首先選擇柱肢截面和綴材的形式,按下列步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：<1>按對(duì)實(shí)軸<y—y軸>的整體穩(wěn)定選擇柱的截面,方法與實(shí)腹柱的計(jì)算相同。<2>按對(duì)虛軸<x—x軸>的整體穩(wěn)定確定兩分肢的距離。為了獲得等穩(wěn)定性,應(yīng)使兩方向的長(zhǎng)細(xì)比相等,即使。綴條柱<雙肢>：即：<5.37>綴板柱〔雙肢：即：<5.38>對(duì)綴條柱應(yīng)預(yù)先確定斜綴條的截面A1；對(duì)綴板柱應(yīng)先假定分肢長(zhǎng)細(xì)比。按式<5．37>或式<5．38>計(jì)算得出后,即可得到對(duì)虛軸的回轉(zhuǎn)半徑：根據(jù)表5．6,可得柱在綴材方向的寬度,亦可由已知截面的幾何量直接算出柱的寬度b。<3>驗(yàn)算對(duì)虛軸的整體穩(wěn)定性,不合適時(shí)應(yīng)修改柱寬b再進(jìn)行驗(yàn)算。<4>設(shè)計(jì)綴條或綴板<包括它們與分肢的連接>。進(jìn)行以上計(jì)算時(shí)應(yīng)注意：<1>柱對(duì)實(shí)軸的長(zhǎng)細(xì)比和對(duì)虛軸的換算長(zhǎng)細(xì)比均不得超過(guò)容許長(zhǎng)細(xì)比；<2>綴條柱的分肢長(zhǎng)細(xì)比不得超過(guò)柱兩方向長(zhǎng)細(xì)比<對(duì)虛軸為換算長(zhǎng)細(xì)比>較大值的0．7倍,否則分肢可能先于整體失穩(wěn)；<3>綴板柱的分肢長(zhǎng)細(xì)比不大于40,并不應(yīng)大于柱較大長(zhǎng)細(xì)比的0.5倍〔當(dāng)＜50時(shí),取=50〉,亦是為了保證分肢不先于整體構(gòu)件失去承載能力。5．4．3柱的橫隔格構(gòu)柱的橫截面為中部空心的矩形,抗扭剛度較差。為了提高格構(gòu)柱的抗扭剛度,保證柱子在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的截面形狀不變,應(yīng)每隔一段距離設(shè)置橫隔。另外,大型實(shí)腹柱〔工字型或箱型也應(yīng)設(shè)置橫隔〔圖5.22。橫隔的間距不得大于柱子較大寬度的9倍或8m,而且每個(gè)運(yùn)送單元的端部均應(yīng)設(shè)置橫隔。當(dāng)柱身某一處受有較大水平集中力作用時(shí),也應(yīng)在該處設(shè)置橫隔,以免柱肢局部受彎。橫隔可用鋼板{圖5．22<a>、<c>、<d>}或交叉角鋼[圖5．22<b>]做成。工字形截面實(shí)腹柱的橫隔只能用鋼板制作,它與橫向加勁肋的區(qū)別在于與翼緣同寬[圖5．22<c>],而橫向加勁肋則通常較窄。箱形截面實(shí)腹柱的橫隔,有一邊或兩邊不能預(yù)先焊接,可先焊兩邊或三邊,裝配后再在柱壁鉆孔用電渣焊焊接其他邊[圖5．22<d>]。[例5．3]設(shè)計(jì)一綴板柱,柱高6m,兩端鉸接,軸心壓力為l000kN<設(shè)計(jì)值>,鋼材為Q235鋼,截面無(wú)孔眼削弱。[解]5．5柱頭和柱腳單個(gè)構(gòu)件必須通過(guò)相互連接才能形成結(jié)構(gòu)整體,軸心受壓柱通過(guò)柱頭直接承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載,同時(shí)通過(guò)柱腳將柱身的內(nèi)力可靠地傳給基礎(chǔ)。最常見的上部結(jié)構(gòu)是梁格系統(tǒng)。梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須遵循傳力可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單和便于安裝的原則。5．5．1梁與柱的連接梁與軸心受壓柱的連接只能是鉸接,若為剛接,則柱將承受較大彎矩成為受壓受彎柱。梁與柱鉸接時(shí),梁可支承在柱頂上[圖5．25<a>、<b>、<c>]。亦可連于柱的側(cè)面[圖5．25<d>、<e>]。梁支于柱頂時(shí),梁的支座反力通過(guò)柱頂板傳給柱身。頂板與柱用焊縫連接,頂板厚度一般取16—20mm。為了便于安裝定位,梁與頂板用普通螺栓連接。圖5．25<b>的構(gòu)造方案,將梁的反力通過(guò)支承加勁肋直接傳給柱的翼緣。兩相鄰梁之間留一空隙,以便于安裝,最后用夾板和構(gòu)造螺栓連接。這種連接方式構(gòu)造簡(jiǎn)單,對(duì)梁長(zhǎng)度尺寸的制作要求不高。缺點(diǎn)是當(dāng)柱頂兩側(cè)梁的反力不等時(shí)將使柱偏心受壓。圖5．25<b>的構(gòu)造方案,梁的反力通過(guò)端部加勁肋的突出部分傳結(jié)柱的軸線附近,因此即使兩相鄰梁的反力不等,柱仍接近于軸心受壓。梁端加勁肋的底面應(yīng)刨平頂緊于柱頂板。由于梁的反力大部分傳給柱的腹板,因而腹板不能太薄且必須用加勁肋加強(qiáng)。兩相鄰梁之間可留一些空隙,安裝時(shí)嵌入合適尺寸的填板并用普通螺拴連接。對(duì)于格構(gòu)柱[圖5．25<c>],為了保證傳力均勻并托住頂板,應(yīng)在兩柱肢之間設(shè)置豎向隔板。在多層框架的中間梁柱中,橫梁只能在柱側(cè)相連。圖5．25<d>、<e>是梁連接于柱側(cè)面的鉸接構(gòu)造。梁的反力由端加勁肋傳給支托,支托可采用T形[圖5．25<e>],也可用厚鋼板做成[圖5．25<d>],支托與柱翼緣間用角焊縫相連。用厚鋼板做支托的方案適用于承受較大的壓力,但制作與安裝的精度要求較高。支托的端面必須刨平并與梁的端加勁肋頂緊以便直接傳遞壓力。考慮到荷載偏心的不利影響,支托與柱的連接焊縫按梁支座反力的1．25倍計(jì)算。為方便安裝,梁端與柱間應(yīng)留空隙加填板并設(shè)置構(gòu)造螺栓。當(dāng)兩側(cè)梁的支座反力相差較大時(shí),應(yīng)考慮偏心,按壓彎柱計(jì)算。圖5.25梁與柱的鉸接連接5．5．2柱腳柱腳的構(gòu)造應(yīng)使柱身的內(nèi)力可靠地傳給基礎(chǔ),并和基礎(chǔ)有牢固的連接。軸心受壓柱的柱腳主要傳遞軸心壓力,與基礎(chǔ)的連接一般采用鉸接<圖5．26>。圖5．26是幾種常用的平板式鉸接柱腳。由于基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度遠(yuǎn)比鋼材低,所以必須把柱的底部放大,以增加其與基礎(chǔ)頂部的接觸面積。圖5．26<a>是一種最簡(jiǎn)單的柱腳構(gòu)造形式,在柱下端僅焊一塊底板,柱中壓力由焊縫傳至底板,再傳給基礎(chǔ)。這種柱腳只能用于小型柱,如果用于大型柱,底板會(huì)太厚。一般的鉸接柱腳常采用圖5．26<b>、<c>、<d>的形式,在柱端部與底板之間增設(shè)一些中間傳力零件,如靴梁、隔板和肋板等,以增加柱與底板的連接焊縫長(zhǎng)度,并且將底板分隔成幾個(gè)區(qū)格,使底板的彎矩減小,厚度減薄。圖5．26<b>中,靴梁焊于柱的兩側(cè),在靴梁之間用隔板加強(qiáng),以減小底板的彎矩,并提高靴梁的穩(wěn)定性。圖5．26<c>是格構(gòu)柱的柱腳構(gòu)造。圖5．26<d>中,在靴梁外側(cè)設(shè)置肋板,底板做成正方形或接近正方形。布置柱腳中的連接焊縫時(shí),應(yīng)考慮施焊的方便與可能。例如圖5．26<b>隔板的里側(cè),圖5．26<c>、<d>中靴梁中央部分的里側(cè),都不宜布置焊縫。柱腳是利用預(yù)埋在基礎(chǔ)中的錨栓來(lái)固定其位置的。鉸接柱腳只沿著一條軸線設(shè)立兩個(gè)連接于底板上的錨栓,見圖5．26。底板的抗彎剛度較小,錨栓受拉時(shí),底板會(huì)產(chǎn)生彎曲變形,阻止柱端轉(zhuǎn)動(dòng)的抗力不大,因而此種柱腳仍視為鉸接。如果用完全符合力學(xué)圖形的鉸,將給安裝工作帶來(lái)很大困難,而且構(gòu)造復(fù)雜,一般情況沒(méi)有此種必要。鉸接柱腳不承受彎矩,只承受軸向壓力和剪力。剪力通常由底扳與基礎(chǔ)表面的摩擦力傳遞。當(dāng)此摩擦力不足以承受水平剪力時(shí),應(yīng)在柱腳底板下設(shè)置抗剪鍵<圖5．27>,抗剪鍵可用方鋼、短T字鋼或H型鋼做成。鉸接柱腳通常僅按承受軸向壓力計(jì)算,軸向壓力N一部分由柱身傳給靴梁、肋板等,再傳給底板,最后傳給基礎(chǔ)；另一部分是經(jīng)柱身與底扳間的連接焊縫傳給底板,再傳給基礎(chǔ)。然而實(shí)際工程中,柱端難于做到齊平,而且為了便于控制柱長(zhǎng)的準(zhǔn)確性,柱端可能比靴梁縮進(jìn)一些[圖5.26<c>]。<1>底板的計(jì)算①底板的面積底板的平面尺寸決定于基礎(chǔ)材料的抗壓能力,基礎(chǔ)對(duì)底板的壓應(yīng)力可近似認(rèn)為是均勻分布的,這樣,所需要的底板凈面積An<底板寬乘長(zhǎng),減去錨栓孔面積>應(yīng)按下式確定：〔5.39——基礎(chǔ)混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；——基礎(chǔ)混凝土局部承壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)。和均按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。②底板的厚度底板的厚度由板的抗彎強(qiáng)度決定。底板可視為一支承在靴梁、隔板和柱端的平板,它承受基礎(chǔ)傳來(lái)的均勻反力。靴梁、肋板、隔板和柱的端面均可視為底板的支承邊,并將底板分隔成不同的區(qū)格,其中有四邊支承、三邊支承、兩相鄰邊支承和一邊支承等區(qū)格。在均勻分布的基礎(chǔ)反力作用下,各區(qū)格板單位寬度上的最大彎矩為：a四邊支承區(qū)格：〔5.40式中q——作用于底板單位面積上的壓應(yīng)力,q＝N／An；a——四邊支承區(qū)格的短邊長(zhǎng)度；——系數(shù),根據(jù)長(zhǎng)邊b與短邊a之比按表5．7取用b．三邊支承區(qū)格和兩相鄰邊支承區(qū)格：<5．41>式中al——對(duì)三邊支承區(qū)格為自由邊長(zhǎng)度,對(duì)兩相鄰邊支承區(qū)格為對(duì)角線長(zhǎng)度[見圖5．26<b>、<d>]；——系數(shù),根據(jù)b1／al值由表5．8查得。對(duì)三邊支承區(qū)格b1為垂直于自由邊的寬度；對(duì)兩相鄰邊支承區(qū)格,b1為內(nèi)角頂點(diǎn)至對(duì)角線的垂直距離[見圖5．26<b>、<d>]。c.一邊支承區(qū)格〔即懸臂板：〔5.42式中c——懸臂長(zhǎng)度。這幾部分板承受的彎矩一般不相同,取各區(qū)格板中的最大彎矩Mmax來(lái)確定板的厚度t：〔5.43設(shè)計(jì)時(shí)要注意到靴梁和隔板的布置應(yīng)盡可能使各區(qū)格