第4章軸心受力構(gòu)件4(2011)

第四章軸心受力構(gòu)件§4－5柱頭和柱腳一、柱頭（梁與柱的連接－鉸接）（一）連接構(gòu)造為了使柱子實(shí)現(xiàn)軸心受壓，并平安將荷載傳至基礎(chǔ)，必需合理構(gòu)造柱頭、柱腳。設(shè)計(jì)原則是：傳力明確、過程簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)合理、平安牢靠，并具有足夠的剛度且構(gòu)造又不困難。梁與柱的連接一般可分為三類：其一，鉸接連接，這種連接柱身只承受梁端的豎向剪力，梁與柱軸線間的夾角可以自由變更，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)不受約束；其二，剛性連接，這種連接柱身在承受梁端豎向剪力的同時(shí)，還將承受梁端傳遞的彎矩，梁與柱軸線間的夾角在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持不變；其三，半剛性連接，介于鉸接連接和剛性連接之間，這種連接除承受梁端傳來的豎向剪力外，還可以承受確定數(shù)量的彎矩，梁與柱軸線間的夾角在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將有所變更，但又受到確定程度的約束。

在實(shí)際工程中，上述志向的剛性連接是很少存在的。通常，按梁端彎矩與梁柱曲線相對(duì)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，確定梁與柱連接節(jié)點(diǎn)的類型。當(dāng)梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)只能傳遞志向剛性連接彎矩的20%以下時(shí)，即可認(rèn)為是鉸接連接。當(dāng)梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)能夠承受志向剛性連接彎矩的90%以上時(shí)，即可認(rèn)為是剛性連接。半剛性連接的彎矩——轉(zhuǎn)角關(guān)系較為困難，它隨連接形式、構(gòu)造細(xì)微環(huán)節(jié)的不同而異。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必需通過試驗(yàn)或其他方法供應(yīng)較為精確的節(jié)點(diǎn)彎矩——轉(zhuǎn)角關(guān)系。設(shè)計(jì)部門很難辦到，因此目前較少接受半剛性連接節(jié)點(diǎn)。4.3.1梁與柱的鉸接連接1．梁支承于柱頂?shù)你q接連接圖8.3.1為梁支承在柱頂?shù)你q接構(gòu)造。梁的支座反力通過柱頂板傳給柱身，頂板與柱身接受焊縫連接。每個(gè)梁端與柱接受螺栓連接，使其位置固定在柱頂板上。頂板厚度一般取16~20mm。在圖8.3.1（a）中，梁端加勁肋對(duì)準(zhǔn)柱的翼緣板，使梁的支座支力通過梁端加勁肋干脆傳給柱的翼緣。這種連接形式構(gòu)造簡(jiǎn)潔，施工便利，適用于相鄰梁的支座反力相等或差值較小的狀況。當(dāng)兩相鄰梁支座反力不等且相差較大時(shí)（例如左跨梁有活荷載，右跨梁無活荷載），柱將產(chǎn)生較大的偏心彎矩。設(shè)計(jì)時(shí)柱身除按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算外，還應(yīng)按壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。兩相鄰梁在調(diào)整、安裝就位后，用連接板和螺栓在靠近梁下翼緣處連接起來。在圖8.3.1（b）中，梁端接受突緣支座，突緣板底部刨平（或銑平），與柱頂板干脆頂緊，梁的支座反力通過突緣板作用在柱身的軸線旁邊。這種連接即使兩相鄰梁支座反力不相等時(shí)，對(duì)柱所產(chǎn)生的偏心彎矩也很小，柱仍接近軸心受壓狀態(tài)。梁的支座反力主要由柱的腹板來承受，所以柱腹板的厚度不能太薄。在柱頂板之下的柱腹板上應(yīng)設(shè)置一對(duì)加勁肋以加強(qiáng)腹板。加勁肋與柱腹板的豎向焊縫連接要按同時(shí)傳遞剪力和彎矩計(jì)算，因此加勁肋要有足夠的長(zhǎng)度，以滿足焊縫強(qiáng)度和應(yīng)力勻整擴(kuò)散的要求。加勁肋與頂板的水平焊縫連接應(yīng)按傳力須要計(jì)算。為了加強(qiáng)柱頂板的抗彎剛度，在柱頂板中心部位加焊一塊墊板。為了便于制造和安裝，兩相鄰梁之間預(yù)留10~20mm間隙。在靠近梁下翼緣處的梁支座突緣板間填以合適的填板，并用螺栓相連。

在圖8.3.1（c）為梁支承在格構(gòu)式柱頂?shù)你q接連接構(gòu)造。為了保證格構(gòu)式柱兩單肢受力勻整，不論是綴條式還是綴板式柱，在柱頂處應(yīng)設(shè)置端綴板，并在兩個(gè)單肢的腹板內(nèi)側(cè)中心處設(shè)置豎向隔板，使格構(gòu)式柱在柱頭一段變?yōu)閷?shí)腹式。這樣，梁支承在格構(gòu)式柱頂連接構(gòu)造可與實(shí)腹式柱的同樣處理。2．梁支承于柱側(cè)面的鉸接連接梁連接在柱的側(cè)面上，在柱側(cè)面設(shè)置承托，以支承梁的支座反力，其鉸接構(gòu)造如圖8.3.2所示。

當(dāng)梁的支座反力不大時(shí)，可接受如圖8.3.2（a）所示的連接構(gòu)造。梁端可不設(shè)支承加勁肋，干脆放在柱的承托上，用一般螺栓固定其位置。梁端與柱側(cè)面預(yù)留確定間隙，在梁腹板靠近上翼緣處設(shè)一短角鋼和柱身相連，以防止梁端向平面外方向產(chǎn)生偏移。這種連接形式比較簡(jiǎn)潔，施工便利。當(dāng)梁的支座反力較大時(shí)，可接受如圖8.3.2（b）所示的連接構(gòu)造。梁的支座反力由突緣板傳給承托，承托一般用厚鋼板制作，有時(shí)為了安裝便利，也可接受加勁后的角鋼。承托的厚度應(yīng)比梁端突緣板的厚度大10~12mm，承托的寬度應(yīng)比梁端突緣板的寬度大10mm。承托與柱側(cè)面用焊縫相連。承托的頂面應(yīng)刨平，和梁端突緣板頂緊并以局部承壓傳力?？紤]到梁端支座反力偏心的不利影響，承托與柱的連接焊縫按1.25倍梁端支座反力來計(jì)算。為了便于安裝，梁端與柱側(cè)面應(yīng)預(yù)留5~10mm的間隙，安裝時(shí)加填板并設(shè)置構(gòu)造螺栓，以固定梁的位置。當(dāng)兩相鄰梁的支座反力相差較大時(shí)，應(yīng)考慮偏心影響，對(duì)柱身應(yīng)按壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。（二）、傳力途徑傳力路線：梁突緣柱頂板加勁肋柱身焊縫墊板焊縫焊縫柱頂板加勁肋柱梁梁突緣墊板填板填板構(gòu)造螺栓（三）、柱頭的計(jì)算(1)梁端局部承壓計(jì)算梁設(shè)計(jì)中講授(2)柱頂板

平面尺寸超出柱輪廓尺寸15-20mm，厚度不小于14mm。（3）加勁肋加勁肋與柱腹板的連接焊縫按承受剪力V=N/2和彎矩M=Nl/4計(jì)算。N/2l/2l15-20mm15-20mmt≥14mm8.3.2梁與柱的剛性連接框架梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)做成剛性連接，可以增加框架的抗側(cè)移剛度，減小框架橫梁的跨中彎矩。在多、高層框架中梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)一般都是接受剛性連接。梁與柱節(jié)點(diǎn)的剛性連接就是要保證將梁端的彎矩和剪力可以有效地傳給柱子。圖8.3.3是梁與柱的剛性連接構(gòu)造圖。圖8.3.3（a）所示為多層框架工字形梁和工字形柱全焊接剛性連接。梁翼緣與柱翼緣接受坡口對(duì)接焊縫連接。為了便于梁翼緣處坡口焊縫的施焊和設(shè)置襯板，在梁腹板兩端上、下角處各開r=30~35mm的半園孔。梁翼緣焊縫承受由梁端彎矩產(chǎn)生的拉力和壓力；梁腹板與柱翼緣接受角焊縫連接以傳遞梁端剪力。這種全焊接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是省工省料，缺點(diǎn)是梁須要現(xiàn)場(chǎng)定位、工地高空施焊，不便于施工。為了消退上述缺點(diǎn)，可以將框架橫梁做成兩段，并把短梁段在工廠制造時(shí)先焊在柱子上，如圖8.3.3（b）所示，在施工現(xiàn)場(chǎng)再接受高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接將橫梁的中間段拼接起來?？蚣軝M梁拼接處的內(nèi)力比梁端處小，因而有利于高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)。圖8.3.3（c）為梁腹板與柱翼緣接受連接角鋼和高強(qiáng)度螺栓連接，并利用高強(qiáng)度螺栓兼作安裝螺栓。橫梁安裝就位后再將梁的上、下翼緣與柱的翼緣用坡口對(duì)接焊縫連接。這種節(jié)點(diǎn)連接包括高強(qiáng)度螺栓和焊縫兩種連接件，要求它們聯(lián)合或分別承受梁端的彎矩和剪力，常稱為混合連接?！?-6柱腳節(jié)點(diǎn)1.柱腳的形式與構(gòu)造柱腳的作用是將柱的下端固定于基礎(chǔ)，并將柱身所受的內(nèi)力傳給基礎(chǔ)?；A(chǔ)一般由鋼筋混凝土做成，其強(qiáng)度遠(yuǎn)比鋼材低。為此，須要將柱身的底端放大，以增加其與基礎(chǔ)頂部的接觸面積，使接觸面上的壓應(yīng)力小于或等于基礎(chǔ)混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。柱腳按其與基礎(chǔ)的連接方式不同，可分為鉸接和剛接兩種型式。圖8.6.1是幾種常用的鉸接柱腳型式，主要用于軸心受壓柱。圖8.6.1

(a)

在柱子下端干脆與底板焊接。柱子壓力由焊縫傳給底板，由底板擴(kuò)散并傳給基礎(chǔ)。由于底板在各方向均為懸臂，在基礎(chǔ)反力作用下，底板抗彎剛度較弱。所以這種柱腳型式只適用于柱子軸力較小的狀況。當(dāng)柱子軸力較大時(shí)，通常接受圖8.6.1(b)、(c)、(d)所示的柱腳型式。在柱子底板上設(shè)置靴梁、隔板和肋板，底板被分隔成若干小的區(qū)格。底板上的靴梁、隔板和肋板相當(dāng)于這些小區(qū)格板塊的邊界支座，變更了底板的支承條件。在基礎(chǔ)反力作用下，底板的最大彎矩值變小了。柱子軸力通過豎向角焊縫傳給靴梁，靴梁再通過水平角焊縫傳給底板。圖8.6.1(b)中，靴梁焊在柱翼緣的兩側(cè)，在靴梁之間設(shè)置隔板，以增加靴梁的側(cè)向剛度；同時(shí)，底板被進(jìn)一步分成更小的區(qū)格，底板中的彎矩也因此而減小。圖8.6.1(c)是格構(gòu)柱僅接受靴梁的柱腳型式。圖8.6.1(d)在靴梁外側(cè)設(shè)置肋板，使柱子軸力向兩個(gè)方向擴(kuò)散，通常在柱的一個(gè)方向接受靴梁，另一方向設(shè)置肋板，底板宜做成正方形或接近正方形。此外，在設(shè)計(jì)柱腳中的連接焊縫時(shí)，要考慮施焊的便利與可能性。柱腳通過預(yù)埋在基礎(chǔ)上的錨栓來固定。錨栓按柱腳是鉸接還是剛接進(jìn)行布置和固定。鉸接柱腳只沿著一條軸線設(shè)置兩個(gè)連接于底板上的錨栓（圖8.6.1），錨栓固定在底板上，對(duì)柱端轉(zhuǎn)動(dòng)約束很小，承受的彎矩也很小，接近于鉸接。底板上的錨栓孔的直徑應(yīng)比錨栓直徑大0.5~1.0倍，并做成U形缺口，待柱子就位并調(diào)整到設(shè)計(jì)位置后，再用墊板套住錨栓并與底板焊牢。在鉸接柱腳中，錨栓不需計(jì)算。柱腳的剪力主要依靠底板與基礎(chǔ)之間的摩擦力來傳遞。當(dāng)僅靠摩擦力不足以承受水平剪力時(shí)，應(yīng)在柱腳底板下面設(shè)置抗剪鍵，如圖8.6.3所示，抗剪鍵可用方鋼、短T形鋼做成。也可將柱腳底板與基礎(chǔ)上的預(yù)埋件用焊接連接。2.柱腳的計(jì)算(1)底板的面積假設(shè)基礎(chǔ)與底板間的壓應(yīng)力勻整分布。式中：fc--混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；βl--基礎(chǔ)混凝土局部承壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)。

fc、βl均按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。An—底版凈面積，An=B×L-A0。Ao--錨栓孔面積，一般錨栓孔直徑為錨栓直徑的1～1.5倍。cca1Bt1t1ab1靴梁隔板底板La1—構(gòu)件截面高度；t1—靴梁厚度一般為10～14mm；c—懸臂長(zhǎng)度，c=3～4倍螺栓直徑d，d=20～24mm，則L可求。(2)底板的厚度底板的厚度，取決于受力大小，可將其分為不同受力區(qū)域：一邊(懸臂板)、兩邊、三邊和四邊支承板。①一邊支承部分（懸臂板）cca1Bt1t1ab1L②二相鄰邊支承部分：--對(duì)角線長(zhǎng)度；--系數(shù)，與有關(guān)。式中：b2/a20.30.40.50.60.70.80.91.01.1≥1.2β0.0260.0420.0560.0720.0850.0920.1040.1110.1200.125cca1Bt1t1ab1La2b2b2–內(nèi)角頂點(diǎn)至對(duì)角線的垂直距離；

③三邊支承部分：--自由邊長(zhǎng)度；--系數(shù)，與有關(guān)。式中：cca1Bt1t1ab1L當(dāng)b1/a1<0.3時(shí)，可按懸臂長(zhǎng)度為b1的懸臂板計(jì)算。b1/a10.30.40.50.60.70.80.91.01.1≥1.2β0.0260.0420.0560.0720.0850.0920.1040.1110.1200.125b1–垂直于自由邊的寬度；④四邊支承部分：式中：

a--四邊支承板短邊長(zhǎng)度；b--四邊支承板長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；

α—系數(shù)，與b/a有關(guān)。b/a1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.03.0≥4.0α0.0480.0550.0630.0690.0750.0810.0860.0910.0950.0990.1010.1190.125cca1Bt1t1ab1L

在柱腳制造時(shí)，柱身往往做得稍短一些[見圖8.6.1(c)]，在柱身與底板之間僅接受構(gòu)造焊縫相連。在焊縫計(jì)算時(shí)，假定柱端與底板之間的連接焊縫不受力，柱端對(duì)底板只起劃分底板區(qū)格支承邊的作用。柱壓力N是由柱身通過豎向焊縫傳給靴梁，再傳給底板。焊縫計(jì)算包括：柱身與靴梁之間豎向連接焊縫承受柱壓力N作用的計(jì)算；靴梁與底板之間水平連接焊縫承受柱壓力N作用的計(jì)算。同時(shí)要求：每條豎向焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度不應(yīng)大于60hf。

靴梁的高度依據(jù)靴梁與柱身之間的豎向焊縫長(zhǎng)度來確定，其厚度略小于柱翼緣板厚度。

在底板均布反力作用下，靴梁按支承于柱側(cè)邊的雙懸臂簡(jiǎn)支梁計(jì)算。依據(jù)靴梁所承受的最大彎矩和最大剪力，驗(yàn)算其抗彎和抗剪強(qiáng)度。2．靴梁的計(jì)算3．隔板、肋板的計(jì)算

隔板應(yīng)具有確定的剛度，才能起支承底板和側(cè)向支撐靴梁的作用。為此，隔板的厚度不得小于寬度的1/50，且厚度不小于10mm。

隔板按支承在靴梁側(cè)邊的簡(jiǎn)支梁計(jì)算，承受由底板傳來的基礎(chǔ)反力作用，荷載按圖8.6.1(b)所示陰影面積的底板反力計(jì)算。依據(jù)其承受的荷載，計(jì)算隔板與底板之間的連接焊縫（隔板內(nèi)側(cè)不易施焊，僅有外側(cè)焊縫）、驗(yàn)算隔板強(qiáng)度、計(jì)算隔板與靴梁之間的焊縫。隔板的高度由其與靴梁連接的焊縫長(zhǎng)度確定。

肋板按懸臂梁計(jì)算，荷載按圖8.6.1(d)所示的陰影面積的底板反力計(jì)算。應(yīng)計(jì)算肋板及其連接的強(qiáng)度。隔板截面驗(yàn)算：q’h1a1式中：(5)靴梁及隔板與底板間的焊縫的計(jì)算按正面角焊縫，擔(dān)當(dāng)全部軸力計(jì)算，焊腳尺寸由構(gòu)造確定。柱腳零件間的焊縫布置焊縫布置原則：考慮施焊的便利與可能一、柱頭自學(xué)二、柱腳1、鉸接柱腳：同軸壓柱腳2、剛接柱腳:框架柱多接受剛接柱腳。有時(shí)，單層框架也接受鉸接柱腳，其構(gòu)造和計(jì)算與軸心受壓柱的鉸接柱腳相像。所不同的是鉸接柱腳還要承受剪力。假如水平剪力超過底板與基礎(chǔ)間的摩擦力，鉸接柱腳一般要實(shí)行抗剪構(gòu)造措施，如圖所示。1）整體式剛性柱腳適用于實(shí)腹柱及分肢間距小的壓彎構(gòu)件，常用形式如圖A：2）分別式剛性柱腳適用于分肢間距大的壓彎構(gòu)件，常用形式如圖B：§8.7

壓彎構(gòu)件的柱頭和柱腳圖A圖B3、整體式剛性柱腳的設(shè)計(jì)1．底板的計(jì)算

圖8.6.2

(a)為整體式柱腳構(gòu)造圖。柱腳的傳力過程與軸心受壓柱腳類似，即柱子內(nèi)力由柱身傳給靴梁，再傳至底板。但是，由于框架柱腳同時(shí)有彎矩和軸心壓力作用，底板下的壓力不是勻整分布的，并且可能出現(xiàn)拉力。假如底板下出現(xiàn)拉力，則此拉力由錨栓來承受。

假定柱腳底板與基礎(chǔ)接觸面的壓應(yīng)力成直線分布，底板下基礎(chǔ)的最大壓應(yīng)力按下式計(jì)算：2）底板厚度確定同軸壓柱腳，計(jì)算各區(qū)格板彎矩時(shí)，可取其范圍內(nèi)的最大反力。1）底面積確定底板寬度b由構(gòu)造確定，c=20~30cm;底板長(zhǎng)度l計(jì)算確定:3）錨栓計(jì)算擔(dān)當(dāng)M作用下產(chǎn)生的拉力，且錨栓是柱腳與基礎(chǔ)堅(jiān)固連接的關(guān)鍵部件，其直徑大小由計(jì)算確定。ax合力點(diǎn)由Nt即可查得錨栓個(gè)數(shù)和直徑錨栓擔(dān)當(dāng)?shù)睦Γ毫粢猓阂陨嫌?jì)算是假定底板為剛性，計(jì)算值偏大；由于栓徑較大，故應(yīng)考慮螺紋處的應(yīng)力集中，鋼材的強(qiáng)度取值應(yīng)降低，詳見規(guī)范；由于底板的剛度不足，錨栓不能干脆連于底板，以防止底板變形而使錨栓不能牢靠受拉，連接處應(yīng)做構(gòu)造處理，詳見教材。

3）靴梁、隔板及其焊縫計(jì)算A、靴梁的高度按柱與其連接焊縫的長(zhǎng)度確定，每側(cè)焊縫擔(dān)當(dāng)?shù)妮S力為：靴梁的高度由靴梁與柱身之間的焊縫長(zhǎng)度確定，其高度不宜小于450mm。靴梁按雙懸臂簡(jiǎn)支梁驗(yàn)算截面強(qiáng)度，荷載按底板上不勻整反力的最大值計(jì)算。

靴梁與底板之間