第4章軸心受力構件4(2011)

第四章軸心受力構件§4－5柱頭和柱腳一、柱頭（梁與柱的連接－鉸接）（一）連接構造為了使柱子實現軸心受壓，并平安將荷載傳至基礎，必需合理構造柱頭、柱腳。設計原則是：傳力明確、過程簡潔、經濟合理、平安牢靠，并具有足夠的剛度且構造又不困難。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)點的轉動不受約束；其二，剛性連接，這種連接柱身在承受梁端豎向剪力的同時，還將承受梁端傳遞的彎矩，梁與柱軸線間的夾角在節(jié)點轉動時保持不變；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，還可以承受確定數量的彎矩，梁與柱軸線間的夾角在節(jié)點轉動時將有所變更，但又受到確定程度的約束。

在實際工程中，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轉角之間的關系，確定梁與柱連接節(jié)點的類型。當梁與柱的連接節(jié)點只能傳遞志向剛性連接彎矩的20%以下時，即可認為是鉸接連接。當梁與柱的連接節(jié)點能夠承受志向剛性連接彎矩的90%以上時，即可認為是剛性連接。半剛性連接的彎矩——轉角關系較為困難，它隨連接形式、構造細微環(huán)節(jié)的不同而異。進行結構設計時，必需通過試驗或其他方法供應較為精確的節(jié)點彎矩——轉角關系。設計部門很難辦到，因此目前較少接受半剛性連接節(jié)點。4.3.1梁與柱的鉸接連接1．梁支承于柱頂的鉸接連接圖8.3.1為梁支承在柱頂的鉸接構造。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，梁端加勁肋對準柱的翼緣板，使梁的支座支力通過梁端加勁肋干脆傳給柱的翼緣。這種連接形式構造簡潔，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。當兩相鄰梁支座反力不等且相差較大時（例如左跨梁有活荷載，右跨梁無活荷載），柱將產生較大的偏心彎矩。設計時柱身除按軸心受壓構件計算外，還應按壓彎構件進行驗算。兩相鄰梁在調整、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，對柱所產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設置一對加勁肋以加強腹板。加勁肋與柱腹板的豎向焊縫連接要按同時傳遞剪力和彎矩計算，因此加勁肋要有足夠的長度，以滿足焊縫強度和應力勻整擴散的要求。加勁肋與頂板的水平焊縫連接應按傳力須要計算。為了加強柱頂板的抗彎剛度，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）為梁支承在格構式柱頂的鉸接連接構造。為了保證格構式柱兩單肢受力勻整，不論是綴條式還是綴板式柱，在柱頂處應設置端綴板，并在兩個單肢的腹板內側中心處設置豎向隔板，使格構式柱在柱頭一段變?yōu)閷嵏故?。這樣，梁支承在格構式柱頂連接構造可與實腹式柱的同樣處理。2．梁支承于柱側面的鉸接連接梁連接在柱的側面上，在柱側面設置承托，以支承梁的支座反力，其鉸接構造如圖8.3.2所示。

當梁的支座反力不大時，可接受如圖8.3.2（a）所示的連接構造。梁端可不設支承加勁肋，干脆放在柱的承托上，用一般螺栓固定其位置。梁端與柱側面預留確定間隙，在梁腹板靠近上翼緣處設一短角鋼和柱身相連，以防止梁端向平面外方向產生偏移。這種連接形式比較簡潔，施工便利。當梁的支座反力較大時，可接受如圖8.3.2（b）所示的連接構造。梁的支座反力由突緣板傳給承托，承托一般用厚鋼板制作，有時為了安裝便利，也可接受加勁后的角鋼。承托的厚度應比梁端突緣板的厚度大10~12mm，承托的寬度應比梁端突緣板的寬度大10mm。承托與柱側面用焊縫相連。承托的頂面應刨平，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算。為了便于安裝，梁端與柱側面應預留5~10mm的間隙，安裝時加填板并設置構造螺栓，以固定梁的位置。當兩相鄰梁的支座反力相差較大時，應考慮偏心影響，對柱身應按壓彎構件進行驗算。（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造螺栓（三）、柱頭的計算(1)梁端局部承壓計算梁設計中講授(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)點做成剛性連接，可以增加框架的抗側移剛度，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)點一般都是接受剛性連接。梁與柱節(jié)點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接焊縫連接。為了便于梁翼緣處坡口焊縫的施焊和設置襯板，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)點的優(yōu)點是省工省料，缺點是梁須要現場定位、工地高空施焊，不便于施工。為了消退上述缺點，可以將框架橫梁做成兩段，并把短梁段在工廠制造時先焊在柱子上，如圖8.3.3（b）所示，在施工現場再接受高強度螺栓摩擦型連接將橫梁的中間段拼接起來?？蚣軝M梁拼接處的內力比梁端處小，因而有利于高強度螺栓連接的設計。圖8.3.3（c）為梁腹板與柱翼緣接受連接角鋼和高強度螺栓連接，并利用高強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接焊縫連接。這種節(jié)點連接包括高強度螺栓和焊縫兩種連接件，要求它們聯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1.柱腳的形式與構造柱腳的作用是將柱的下端固定于基礎，并將柱身所受的內力傳給基礎?；A一般由鋼筋混凝土做成，其強度遠比鋼材低。為此，須要將柱身的底端放大，以增加其與基礎頂部的接觸面積，使接觸面上的壓應力小于或等于基礎混凝土的抗壓強度設計值。柱腳按其與基礎的連接方式不同，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，由底板擴散并傳給基礎。由于底板在各方向均為懸臂，在基礎反力作用下，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。當柱子軸力較大時，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，在靴梁之間設置隔板，以增加靴梁的側向剛度；同時，底板被進一步分成更小的區(qū)格，底板中的彎矩也因此而減小。圖8.6.1(c)是格構柱僅接受靴梁的柱腳型式。圖8.6.1(d)在靴梁外側設置肋板，使柱子軸力向兩個方向擴散，通常在柱的一個方向接受靴梁，另一方向設置肋板，底板宜做成正方形或接近正方形。此外，在設計柱腳中的連接焊縫時，要考慮施焊的便利與可能性。柱腳通過預埋在基礎上的錨栓來固定。錨栓按柱腳是鉸接還是剛接進行布置和固定。鉸接柱腳只沿著一條軸線設置兩個連接于底板上的錨栓（圖8.6.1），錨栓固定在底板上，對柱端轉動約束很小，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，待柱子就位并調整到設計位置后，再用墊板套住錨栓并與底板焊牢。在鉸接柱腳中，錨栓不需計算。柱腳的剪力主要依靠底板與基礎之間的摩擦力來傳遞。當僅靠摩擦力不足以承受水平剪力時，應在柱腳底板下面設置抗剪鍵，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上的預埋件用焊接連接。2.柱腳的計算(1)底板的面積假設基礎與底板間的壓應力勻整分布。式中：fc--混凝土軸心抗壓設計強度；βl--基礎混凝土局部承壓時的強度提高系數。

fc、βl均按《混凝土結構設計規(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—構件截面高度；t1—靴梁厚度一般為10～14mm；c—懸臂長度，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：--對角線長度；--系數，與有關。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–內角頂點至對角線的垂直距離；

③三邊支承部分：--自由邊長度；--系數，與有關。式中：cca1Bt1t1ab1L當b1/a1<0.3時，可按懸臂長度為b1的懸臂板計算。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--四邊支承板短邊長度；b--四邊支承板長邊長度；

α—系數，與b/a有關。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，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造焊縫相連。在焊縫計算時，假定柱端與底板之間的連接焊縫不受力，柱端對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作用的計算；靴梁與底板之間水平連接焊縫承受柱壓力N作用的計算。同時要求：每條豎向焊縫的計算長度不應大于60hf。

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

在底板均布反力作用下，靴梁按支承于柱側邊的雙懸臂簡支梁計算。依據靴梁所承受的最大彎矩和最大剪力，驗算其抗彎和抗剪強度。2．靴梁的計算3．隔板、肋板的計算

隔板應具有確定的剛度，才能起支承底板和側向支撐靴梁的作用。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邊的簡支梁計算，承受由底板傳來的基礎反力作用，荷載按圖8.6.1(b)所示陰影面積的底板反力計算。依據其承受的荷載，計算隔板與底板之間的連接焊縫（隔板內側不易施焊，僅有外側焊縫）、驗算隔板強度、計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度確定。

肋板按懸臂梁計算，荷載按圖8.6.1(d)所示的陰影面積的底板反力計算。應計算肋板及其連接的強度。隔板截面驗算：q’h1a1式中：(5)靴梁及隔板與底板間的焊縫的計算按正面角焊縫，擔當全部軸力計算，焊腳尺寸由構造確定。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，單層框架也接受鉸接柱腳，其構造和計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間的摩擦力，鉸接柱腳一般要實行抗剪構造措施，如圖所示。1）整體式剛性柱腳適用于實腹柱及分肢間距小的壓彎構件，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件，常用形式如圖B：§8.7

壓彎構件的柱頭和柱腳圖A圖B3、整體式剛性柱腳的設計1．底板的計算

圖8.6.2

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

假定柱腳底板與基礎接觸面的壓應力成直線分布，底板下基礎的最大壓應力按下式計算：2）底板厚度確定同軸壓柱腳，計算各區(qū)格板彎矩時，可取其范圍內的最大反力。1）底面積確定底板寬度b由構造確定，c=20~30cm;底板長度l計算確定:3）錨栓計算擔當M作用下產生的拉力，且錨栓是柱腳與基礎堅固連接的關鍵部件，其直徑大小由計算確定。ax合力點由Nt即可查得錨栓個數和直徑錨栓擔當的拉力：留意：以上計算是假定底板為剛性，計算值偏大；由于栓徑較大，故應考慮螺紋處的應力集中，鋼材的強度取值應降低，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，連接處應做構造處理，詳見教材。

3）靴梁、隔板及其焊縫計算A、靴梁的高度按柱與其連接焊縫的長度確定，每側焊縫擔當的軸力為：靴梁的高度由靴梁與柱身之間的焊縫長度確定，其高度不宜小于450mm。靴梁按雙懸臂簡支梁驗算截面強度，荷載按底板上不勻整反力的最大值計算。

靴梁與底板之間