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钢结构节点计算.doc

钢结构节点计算

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2010-12-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《钢结构节点计算doc》,可适用于经济金融领域

第章节点设计原理目录TOCo""hz第章节点设计原理§节点设计的原则§次梁与主梁的连接节点次梁与主梁铰接次梁与主梁刚接§梁与柱的连接节点梁与柱的铰接连接梁与柱的刚性连接梁与柱的半刚性连接§桁架与柱的连接节点桁架与柱的铰接连接桁架与柱的刚性连接§变截面柱的节点构造§柱脚节点柱脚的形式与构造轴心受压柱的柱脚计算框架柱的柱脚计算§支座节点支座节点的形式支座节点的设计§直接焊接管节点直接焊接管节点的构造形式相贯焊缝的计算直接焊接管节点的承载力计算第章节点设计原理§节点设计的原则整个结构是由构件和节点(connection)构成的。单个构件必须通过节点相连接协同工作才能形成结构整体。即使每个构件都能满足安全使用的要求如果节点设计处理不恰当连接节点的破坏也常会引起整个结构的破坏。可见要使结构能够满足预定功能的要求正确的节点设计与构件设计两者具有同等的重要性。由于连接节点受力状态较为复杂不易精确地分析其工作状态。所以在节点设计时应遵循下列基本原则:()连接节点应有明确的传力路线和可靠的构造保证。传力应均匀和分散尽可能减少应力集中现象。在节点设计过程中一方面要根据节点构造的实际受力状况选择合理的结构计算简图另一方面节点构造要与结构的计算简图相一致。避免因节点构造不恰当而改变结构或构件的受力状态并尽可能地使节点计算简图接近于节点实际工作情况。()便于制作、运输和安装。节点构造设计是否恰当对制作和安装影响很大。节点设计便于施工则施工效率高成本降低反之则成本高且工程质量不易保证。所以应尽量简化节点构造。()经济合理。要对设计、制作和施工安装等方面综合考虑后确定最合适的方案。在省工时与省材料之间选择最佳平衡。尽可能减少节点类型连接节点做到定型化、标准化。各类节点的具体构造不尽相同也很难同时满足上述各项原则。总起来说首先节点能够保证具有良好的承载能力使结构或构件可以安全可靠地工作其次则是施工方便和经济合理。§次梁与主梁的连接节点次梁与主梁的连接有铰接(hingedconnection或simpleframingconnection)和刚接(fullyrestrainedconnection)两种。若次梁按简支梁或连续梁计算但在连接节点处只传递次梁的竖向支座反力其连接为铰接。若次梁按连续梁计算连接节点除传递次梁的竖向支座反力外还能同时传递次梁的端弯矩其连接为刚接。次梁与主梁的连接型式按其连接相对位置的不同可分为叠接和平接两种。次梁与主梁铰接.叠接叠接是把单跨次梁直接放在主梁上如图所示并用焊缝或螺栓固定其相互间位置。当次梁支座反力较大时应在主梁支承次梁的位置设置支承加劲肋以避免主梁腹板承受过大的局部压力。主梁腹板横向加劲肋的间距要结合次梁的支承位置来确定。另一种叠接做法是次梁在主梁上连续通过如图所示。由于次梁本身是连续的次梁支座弯矩可以直接传递。当次梁需要拼接时拼接位置应选择在弯矩较小处。当次梁荷载较大或主梁上翼缘较宽时可在主梁支承次梁处设置焊于主梁中心的垫板以保证次梁支座反力以集中力的形式传给主梁避免主梁受扭作用(图)。这种连接的优点是构造简单次梁安装方便。缺点是主次梁结构所占空间大其使用常受到限制。.平接平接是将次梁连接在主梁的侧面(图)可以直接连在主梁的加劲肋图(a)、短角钢图(b)和承托图(c)上。次梁顶面根据需要可以与主梁顶面相平或比主梁顶面稍低。平接可以降低结构高度故在实际工程中应用较为广泛。图(a)、(b)中的连接构造需将次梁的翼缘局部切除。考虑到连接处有一定的约束作用并非理想铰接通常将次梁支座反力值加大(~)进行连接计算。当次梁的支座反力较大用螺栓连接不能满足要求时可采用工地焊缝连接承受支座反力此时螺栓仅起安装和临时固定位置的作用。图(c)适用于次梁支座反力较大的情况。支座反力全部由承托传递支座反力引起的压力在承托上面按三角形分布反力合力作用点位于承托顶板外边缘a处图(c)。次梁端部的腹板应采取适当的固定措施防止支座处截面的扭转。次梁与主梁刚接次梁与主梁刚接时由于连接节点除传递次梁的竖向支反力外还要传递次梁的梁端弯矩当主梁两侧的次梁梁端弯矩相差较大时会使主梁受扭对主梁不利。因此只有当主梁两侧次梁的梁端弯矩差较小时才采用这种连接方式。次梁与主梁的刚接常采用平接形式。此时次梁连接在主梁的侧面并与主梁刚接两相邻次梁成为支承于主梁侧面的连续梁(图)。为此两跨次梁之间必须保证能够传递其支座弯矩。图(a)为采用高强度螺栓连接。图(b)为次梁支承在主梁的承托上采用焊接连接。由于次梁弯矩主要由其翼缘承受所以在次梁翼缘上应设置连接盖板。次梁支座负弯矩M可以分解为上翼缘拉力和下翼缘压力的力偶(h为次梁高度)。计算时次梁上、下翼缘与连接板的螺栓连接或焊接连接要满足承受N力的要求。次梁的竖向支座反力R则通过螺栓传给主梁腹板加劲肋图(a)或直接通过次梁梁端承压传给主梁的承托图(b)。次梁的竖向支座反力R在承托顶板上的作用位置可视为距承托外边缘处承托顶板上的压力为三角形分布图(c)。§梁与柱的连接节点梁与柱的连接一般可分为三类:其一铰接连接这种连接柱身只承受梁端的竖向剪力梁与柱轴线间的夹角可以自由改变节点的转动不受约束其二刚性连接这种连接柱身在承受梁端竖向剪力的同时还将承受梁端传递的弯矩梁与柱轴线间的夹角在节点转动时保持不变其三半刚性连接(partiallyrestrainedconnection)介于铰接连接和刚性连接之间这种连接除承受梁端传来的竖向剪力外还可以承受一定数量的弯矩梁与柱轴线间的夹角在节点转动时将有所改变但又受到一定程度的约束。在实际工程中上述理想的刚性连接是很少存在的。通常按梁端弯矩与梁柱曲线相对转角之间的关系确定梁与柱连接节点的类型。当梁与柱的连接节点只能传递理想刚性连接弯矩的以下时即可认为是铰接连接。当梁与柱的连接节点能够承受理想刚性连接弯矩的以上时即可认为是刚性连接。半刚性连接的弯矩转角关系较为复杂它随连接形式、构造细节的不同而异。进行结构设计时必须通过试验或其他方法提供较为准确的节点弯矩转角关系。设计部门很难办到因此目前较少采用半刚性连接节点。梁与柱的铰接连接.梁支承于柱顶的铰接连接图为梁支承在柱顶的铰接构造。梁的支座反力通过柱顶板传给柱身顶板与柱身采用焊缝连接。每个梁端与柱采用螺栓连接使其位置固定在柱顶板上。顶板厚度一般取~mm。在图(a)中梁端加劲肋对准柱的翼缘板使梁的支座支力通过梁端加劲肋直接传给柱的翼缘。这种连接形式构造简单施工方便适用于相邻梁的支座反力相等或差值较小的情况。当两相邻梁支座反力不等且相差较大时(例如左跨梁有活荷载右跨梁无活荷载)柱将产生较大的偏心弯矩。设计时柱身除按轴心受压构件计算外还应按压弯构件进行验算。两相邻梁在调整、安装就位后用连接板和螺栓在靠近梁下翼缘处连接起来。在图(b)中梁端采用突缘支座突缘板底部刨平(或铣平)与柱顶板直接顶紧梁的支座反力通过突缘板作用在柱身的轴线附近。这种连接即使两相邻梁支座反力不相等时对柱所产生的偏心弯矩也很小柱仍接近轴心受压状态。梁的支座反力主要由柱的腹板来承受所以柱腹板的厚度不能太薄。在柱顶板之下的柱腹板上应设置一对加劲肋以加强腹板。加劲肋与柱腹板的竖向焊缝连接要按同时传递剪力和弯矩计算因此加劲肋要有足够的长度以满足焊缝强度和应力均匀扩散的要求。加劲肋与顶板的水平焊缝连接应按传力需要计算。为了加强柱顶板的抗弯刚度在柱顶板中心部位加焊一块垫板。为了便于制造和安装两相邻梁之间预留~mm间隙。在靠近梁下翼缘处的梁支座突缘板间填以合适的填板并用螺栓相连。在图(c)为梁支承在格构式柱顶的铰接连接构造。为了保证格构式柱两单肢受力均匀不论是缀条式还是缀板式柱在柱顶处应设置端缀板并在两个单肢的腹板内侧中央处设置竖向隔板使格构式柱在柱头一段变为实腹式。这样梁支承在格构式柱顶连接构造可与实腹式柱的同样处理。.梁支承于柱侧面的铰接连接梁连接在柱的侧面上在柱侧面设置承托以支承梁的支座反力其铰接构造如图所示。当梁的支座反力不大时可采用如图(a)所示的连接构造。梁端可不设支承加劲肋直接放在柱的承托上用普通螺栓固定其位置。梁端与柱侧面预留一定间隙在梁腹板靠近上翼缘处设一短角钢和柱身相连以防止梁端向平面外方向产生偏移。这种连接形式比较简单施工方便。当梁的支座反力较大时可采用如图(b)所示的连接构造。梁的支座反力由突缘板传给承托承托一般用厚钢板制作有时为了安装方便也可采用加劲后的角钢。承托的厚度应比梁端突缘板的厚度大~mm承托的宽度应比梁端突缘板的宽度大mm。承托与柱侧面用焊缝相连。承托的顶面应刨平和梁端突缘板顶紧并以局部承压传力。考虑到梁端支座反力偏心的不利影响承托与柱的连接焊缝按倍梁端支座反力来计算。为了便于安装梁端与柱侧面应预留~mm的间隙安装时加填板并设置构造螺栓以固定梁的位置。当两相邻梁的支座反力相差较大时应考虑偏心影响对柱身应按压弯构件进行验算。梁与柱的刚性连接框架梁与柱的连接节点做成刚性连接可以增强框架的抗侧移刚度减小框架横梁的跨中弯矩。在多、高层框架中梁与柱的连接节点一般都是采用刚性连接。梁与柱节点的刚性连接就是要保证将梁端的弯矩和剪力可以有效地传给柱子。图是梁与柱的刚性连接构造图。图(a)所示为多层框架工字形梁和工字形柱全焊接刚性连接。梁翼缘与柱翼缘采用坡口对接焊缝连接。为了便于梁翼缘处坡口焊缝的施焊和设置衬板在梁腹板两端上、下角处各开r=~mm的半园孔。梁翼缘焊缝承受由梁端弯矩产生的拉力和压力梁腹板与柱翼缘采用角焊缝连接以传递梁端剪力。这种全焊接节点的优点是省工省料缺点是梁需要现场定位、工地高空施焊不便于施工。为了消除上述缺点可以将框架横梁做成两段并把短梁段在工厂制造时先焊在柱子上如图(b)所示在施工现场再采用高强度螺栓摩擦型连接将横梁的中间段拼接起来。框架横梁拼接处的内力比梁端处小因而有利于高强度螺栓连接的设计。图(c)为梁腹板与柱翼缘采用连接角钢和高强度螺栓连接并利用高强度螺栓兼作安装螺栓。横梁安装就位后再将梁的上、下翼缘与柱的翼缘用坡口对接焊缝连接。这种节点连接包括高强度螺栓和焊缝两种连接件要求它们联合或分别承受梁端的弯矩和剪力常称为混合连接。图(a)为工字形梁与柱的刚性连接节点(柱腹板内不设横向加劲肋的刚性节点)的变形示意图。在梁的受压翼缘处图(b)由梁端弯矩引起的集中压力对柱腹板产生挤压力应验算:柱腹板计算高度边缘处的局部承压强度以及柱腹板在横向压力作用下的局部稳定在梁受拉翼缘的拉力作用下图(c)防止柱翼缘发生横向变形过大保证梁翼缘应力均匀分布应验算柱翼缘的厚度。在梁的受压翼缘处柱腹板的厚度tw应同时满足:局部承压条件()局部稳定条件()在梁的受拉翼缘处柱翼缘板的厚度tc按强度计算应满足:()式中梁受压、受拉翼缘的截面面积柱、梁钢材抗拉(压)强度设计值在垂直于柱翼缘的集中压力作用下柱腹板计算高度边缘处压应力的假定分布长度参照梁中局部承压的公式计算柱腹板的宽度柱钢材屈服点。如果上述关于梁的受压或受拉翼缘处的计算不能满足就需要对柱的腹板设置横向(水平)加劲肋。梁与柱刚性连接中柱腹板横向加劲肋的尺寸要求应满足《钢结构设计规范》(GB)中条的有关规定。梁与柱刚性连接节点的节点域如图(a)所示由柱的翼缘板和腹板的横向加劲肋所包围即节点域的边长分别是梁和柱的腹板高度。节点域在周边剪力和弯矩作用下柱腹板存在屈服和局部失稳的可能性应验算其抗剪强度和稳定性。节点域在梁端弯矩作用下将产生较大的剪力。设梁端弯矩仅由梁翼缘板承受柱腹板上边加劲肋受力如图(b)所示则有节点域中的应力比较复杂剪应力在节点域的中心为最大剪切屈服由中心开始逐步向四周扩展。由于节点域四周有较强的弹性约束节点域屈服后剪切承载力仍可提高。试验证明:节点域的剪应力达到时节点域仍能保持稳定因此将节点域屈服剪应力提高到。即节点域抗剪屈服条件为:。忽略柱剪力及柱轴力的影响节点域抗剪强度按下式验算:或()式中分别为节点两侧梁端弯矩设计值钢材抗剪强度设计值分别为梁和柱的腹板高度柱腹板厚度节点域腹板的体积。柱为工字形截面时柱为箱形截面时。当柱承受较大的压力时应将乘以以考虑柱压力对节点域抗剪承载力的影响式中为柱的屈服轴压承载力。为了防止节点域的柱腹板受剪时发生局部失稳节点域内柱腹板的厚度应满足下式要求:()式中分别为柱和梁的腹板高度。当柱腹板节点域不满足抗剪强度的要求时柱腹板应予补强。如图所示对焊接H形组合柱宜将柱腹板在节点域范围内更换为较厚板件。加厚板件应伸出柱上、下横向加劲肋(即梁上、下翼缘高度处)之外各mm并采用对接焊缝将其与上、下柱腹板拼接。梁与柱的半刚性连接图为多层框架梁与柱的半刚性连接节点。在图(a)中梁端上、下翼缘处各用一个角钢作为连接件并采用高强度螺栓摩擦型连接将角钢的两肢分别与梁和柱连接这种连接属于半刚性连接。图(b)为梁端焊一端板端板用高强度螺栓与柱翼缘连接常称为端板连接。试验结果表明:图b比图a的转动刚度大当图b中的连接端板足够厚且螺栓布置合理、数量足够时端板连接对梁端的约束可以达到刚性连接的要求。图为轻型单层框架梁与柱连接的常见节点形式属于半刚性连接节点。斜梁端板有三种形式:端板竖放图(a)、端板斜放图(b)和端板平放图(c)。与图(b)端板连接类似当斜梁端板的厚度足够厚且螺栓布置合理、数量足够时图所示的端板连接可以作为刚性连接。半刚性连接的框架计算比较复杂需要通过试验确定节点连接的关系曲线。目前关于半刚性连接已取得许多研究成果但尚未达到实用化程度。§桁架与柱的连接节点桁架与柱的连接既可以做成铰接也可以做成刚接。桁架支承在钢筋混凝土柱或砖砌体柱上时一般都是做成铰接而支承在钢柱上时通常做成刚接。桁架与柱的铰接连接图为梯形桁架和三角形桁架支承在钢筋混凝土柱或砖柱顶的支座节点构造图支座只传递桁架的竖向支座反力可以视为铰接。这种支座是由支座节点板、支座底板和加劲肋组成通常称为平板式支座。加劲肋成对设置在支座节点板两侧其中面位于支座底板对称轴线上。加劲肋的作用是增加支座节点板的平面外刚度减小支座底板中的弯矩。支座反力R图(a)、(b)通过节点板和加劲肋将集中荷载转化成为线荷载从而改善了支座底板的受力状态。由于加强了底板的刚度使支座反力R以方形或矩形底板下呈均匀分布压力的形式传给钢筋混凝土柱等下部结构。图(a)所示的梯形桁架支座节点中桁架端竖杆轴线与支座加劲肋位置发生冲突。解决这个问题的常见做法是将端竖杆偏离轴线放置在支座加劲肋的左侧在保证正常施焊的前提下端竖杆角钢的肢背应尽量靠近加劲肋(留有焊接余地)以减小端竖杆偏心的不利影响。为了便于桁架下弦角钢肢背施焊下弦角钢水平肢与支座底板之间的净距C图(a)、(b)所示不应小于下弦角钢伸出肢的宽度且不得小于mm。锚栓预埋在钢筋混凝土柱顶用于固定桁架的位置。锚栓的直径d一般为~mm埋入柱顶的锚固长度一般为d并应加d的弯钩。为便于安装桁架时可以调整位置底板上的锚栓孔直径应为锚栓直径的~倍待桁架安装就位完毕后再在锚栓上套上垫板并与底板焊牢以固定桁架垫板上的孔径比锚栓直径大~mm。锚栓设置在底板的中线上并与加劲肋对齐如图(a)所示这将使底板的宽度加大。锚栓位置也可按图(b)所示布置底板的宽度就可变小。支座节点的传力路线是:桁架杆件的内力通过杆端连接焊缝传给节点板经由节点板与加劲肋之间的竖向焊缝将一部分力传给加劲肋然后再通过节点板、加劲肋与底板的水平焊缝把全部支座反力传给底板最后传给钢筋混凝土柱等下部构件。支座底板的净面积按下式计算:()式中R桁架的支座反力混凝土的抗压强度设计值。底板所需的面积为:A=An锚栓孔缺口面积底板如采用矩形应使a×b≥A。在图(a)中加劲肋的端部不可能伸到底板的边缘此时底板的面积可只算到加劲肋的外缘即图中的a×b此时不必扣除预留锚栓孔缺口面积。通常桁架支座反力不大底板平面尺寸由其刚度和锚栓位置等构造要求确定常用尺寸:a×b=×~×mm。底板的宽度和长度均不能超出钢筋混凝土柱顶支承面的范围。底板厚度按柱顶反力均匀作用下在底板中产生的弯矩确定。在图(b)中底板被节点板和加劲肋分隔成为四个两相邻边支承的板(a×b)其单位宽度的弯矩按下式计算:()式中底板下的均布反力两相邻支承边的对角线长度见图(b)系数由查表得是内角顶点至对角线的垂直距离。表两相邻支承边的矩形板的系数支座底板的厚度为:()为使柱顶压力比较均匀地分布底板不宜太薄。支座底板的厚度宜满足下列构造要求:当桁架跨度≤m时t≥mm当桁架跨度>m时t≥mm。加劲肋的高度与节点板的高度相同图(a)三角形桁架支座节点的加劲肋应紧靠上弦水平肢并焊接图(b)。加劲肋的厚度取与节点板厚度相同或略小。为避免三条互相垂直的焊缝交于一点加劲肋底端应切角C图(c)。加劲肋可视为支承于节点板上的悬臂梁一个加劲肋所受的剪力V通常假定为支座反力R的或按加劲肋的底部水平焊缝所传的合力计算故应按悬臂梁验算其强度。加劲肋与节点板的竖向连接焊缝同时承受剪力V和弯矩。每个加劲肋与节点板之间竖向连接焊缝按下式验算:()式中为加劲肋高度为加劲肋切角高度一般取mm。底板与节点板、加劲肋的水平连接焊缝承受全部支座反力R按下式计算:()式中焊缝计算长度之和mm。桁架与柱的刚性连接图所示是桁架与柱刚性连接的构造图。桁架与柱刚性连接时桁架支座处除承受竖向支座反力外还有由桁架端弯矩产生的上、下弦的水平力。在上弦节点中上弦与柱采用盖板c连接节点处的水平力为(M为桁架端弯矩)。上弦节点处的水平力通过盖板及其连接焊缝传给柱子。上弦的端板与柱翼缘的连接螺栓只起安装定位作用只需满足构造要求。在下弦节点中下弦节点的螺栓连接承受水平偏心拉力承托板承受竖向剪力R。为了减小节点板的尺寸将下弦和端斜杆轴线汇交于柱的内侧边缘因此螺栓不能对桁架下弦轴线对称布置。下弦节点处的水平拉力为(N、M分别为刚架计算时的横梁轴力和支座弯矩)水平拉力对螺栓群有偏心作用。螺栓最大拉力的计算应考虑两种情况详见第章公式()和()。螺栓连接中最大受拉螺栓的拉力应满足不大于螺栓受拉的承载力设计值。桁架下弦节点板与支承板的连接焊缝共同承受支座反力R、最大水平力H(拉力或压力)以及偏心弯矩He作用其连接焊缝的强度按下式计算:式中最大水平力H至焊缝中心的距离lw=l(mm)。上弦和下弦节点中端板d和a应具有一定的刚度端板厚度t应满足构造要求上弦节点:t≥~mm下弦节点:t≥mm并应计算下弦节点中端板的抗弯强度。下弦节点的端板a在水平拉力作用下受弯计算时通常取最大受拉螺栓处的一段端板其高度为l。考虑端板两侧边缘部分有较大的嵌固作用端板可以近似按嵌固于两列螺栓间的单跨固接板计算弯矩则端板厚度t应满足公式()的要求:式中一个螺栓所受的最大拉力按第章公式()或()计算两竖列螺栓的距离受力最大螺栓的端距加上螺栓竖向间距的一半。桁架支座竖向反力R由端板传给承托b。承托常用~mm的厚钢板有时采用~mm厚的大号角钢截成。承托与柱的连接焊缝通常按(~)倍的R力计算。§变截面柱的节点构造在设置吊车的单层工业厂房中经常要使用阶形柱(SeparateColumns)。阶形柱变截面处是上、下段柱连接和支承吊车梁的重要部位必须具有足够的强度和刚度。阶形柱的吊车梁支承平台也称为肩梁是由上盖板、下盖板、腹板以及垫板组成的。在阶形柱变截面处构造肩梁的主要目的有二:其一是将上、下段柱连成整体实现上、下段柱的内力传递保证不产生相对转角和位移其二是解决吊车梁、制动梁和柱的连接。上、下段柱的截面形式、截面宽度都不相同下段柱的截面高度比较大常做成格构式需要在下段柱的上端做一个具有足够刚度的肩梁来承受上段柱的内力同时又作为吊车梁的承托。因此肩梁应有足够大的强度和刚度。肩梁有单壁式和双壁式两种。.单壁式肩梁图为边柱上、下段柱的连接构造及上段柱的安装接头。肩梁只有一块腹板为单壁式肩梁主要用于上、下段柱都是实腹柱的情况也可用于下段柱为截面较小的格构式柱中。板b加板c可视为肩梁的上翼缘板d可视为肩梁的下翼缘。上段柱腹板与肩梁翼缘一般采用角焊缝连接。上段柱内、外翼缘直接用斜对接焊缝分别与翼缘板e和下段柱屋盖肢的腹板拼接翼缘板e实际上是上柱内冀缘板的延伸可适应上、下段柱宽度改变的需要便于安装又保证了上、下段柱连接的刚度。上段柱内翼缘板e开槽口插入肩梁腹板a用角焊缝连接其计算内力可近似按下式计算:()式中P上段柱翼缘板的内力N、M上段柱下端使P绝对值最大的最不利内力组合中的轴力和弯矩h近似取上段柱的截面高度。图单壁式肩梁构造(边柱)a肩梁的腹板b支承吊车梁的平台板c加劲肋d下横隔板。肩梁腹板a可近似按跨度为h(h为下段柱的截面高度)受集中荷载P作用的两端简支梁计算(图)。为了保证阶形柱变截面处的刚度肩梁高度不宜太小通常肩梁的腹板高度可取(~)h。肩梁只需计算其强度而不必计算刚度和稳定性。肩梁腹板厚度通常由剪切强度确定不应小于mm。肩梁腹板a与下段柱屋盖肢腹板的连接焊缝按肩梁支座反力RA计算。肩梁腹板a与下段柱吊车肢腹板不但承受肩梁支座反力RB同时还承受吊车梁竖向支座反力Dmax故应按RBDmax计算。这些连接焊缝的计算长度应小于或等于hfhf≥mm。上、下段柱连接如在工地进行安装拼接则必须在上段柱下端连接处设置连接板(如图所示)以保证拼接正确。在阶形柱中吊车肢上的平台板b要传递较大的吊车荷载厚度不宜小于mm根据荷载的大小厚度通常为~mm。平台板b的平面尺寸应比下段柱截面尺寸略大以便于焊缝连接。加劲肋C的厚度一般取~mm横隔板d的厚度一般取~mm。图吊车梁在柱上的支承图所示肩梁构造适用于吊车梁支座为突缘支座的情况。当吊车梁竖向支座反力Dmax较大时为了加强肩梁的腹板可在吊车梁突缘宽度范围内在肩梁腹板两侧局部各贴焊一块板f板f与板a以角焊缝相焊可按单侧吊车梁最大支座反力的计算所需焊缝长度板f的高度不宜小于mm板厚由承压面积计算确定。板f顶面采用V形剖口焊缝并与板a一起刨平顶紧于上盖板。平台板上设置垫板用以调整吊车梁的标高同时也起到分布Dmax增大承压面积的作用垫板厚度不宜小于mm。当吊车梁为平板式支座时如图所示宜在吊车肢腹板上与吊车梁梁端支座加劲肋的相应位置处设置短加劲肋并按吊车梁最大支座反力计算端面承压和焊缝强度。这时肩梁腹板不必穿出吊车肢腹板。图双壁式肩梁构造(中柱)肩梁的腹板支承吊车梁的平台板下横隔板加劲肋。.双壁式肩梁图为中柱变截面处采用双壁式肩梁的连接构造主要用于下段柱为格构柱以及拼接刚度要求较高的重型柱中。双壁式肩梁由支承吊车梁的平台板、两侧的肩梁腹板和肩梁的下横隔板构成一个箱形结构其刚度和整体性较好但制造、施焊复杂。为便于安装螺栓应在上盖板上开直径φmm的孔(个数按需要确定)下盖板也应在每个箱格适当开直径φmm的孔以排除肩梁箱体内可能有的积水。双壁式肩梁的计算方法与单壁式基本相同只是在计算腹板时应考虑两块腹板共同受力连接焊缝应根据构造作法具体布置确定。§柱脚节点柱脚的形式与构造柱脚(Columnbases)的作用是将柱的下端固定于基础并将柱身所受的内力传给基础。基础一般由钢筋混凝土做成其强度远比钢材低。为此需要将柱身的底端放大以增加其与基础顶部的接触面积使接触面上的压应力小于或等于基础混凝土的抗压强度设计值。柱脚按其与基础的连接方式不同可分为铰接和刚接两种型式。图是几种常用的铰接柱脚型式主要用于轴心受压柱。图(a)在柱子下端直接与底板焊接。柱子压力由焊缝传给底板由底板扩散并传给基础。由于底板在各方向均为悬臂在基础反力作用下底板抗弯刚度较弱。所以这种柱脚型式只适用于柱子轴力较小的情况。当柱子轴力较大时通常采用图(b)、(c)、(d)所示的柱脚型式。在柱子底板上设置靴梁、隔板和肋板底板被分隔成若干小的区格。底板上的靴梁、隔板和肋板相当于这些小区格板块的边界支座改变了底板的支承条件。在基础反力作用下底板的最大弯矩值变小了。柱子轴力通过竖向角焊缝传给靴梁靴梁再通过水平角焊缝传给底板。图(b)中靴梁焊在柱翼缘的两侧在靴梁之间设置隔板以增加靴梁的侧向刚度同时底板被进一步分成更小的区格底板中的弯矩也因此而减小。图(c)是格构柱仅采用靴梁的柱脚型式。图(d)在靴梁外侧设置肋板使柱子轴力向两个方向扩散通常在柱的一个方向采用靴梁另一方向设置肋板底板宜做成正方形或接近正方形。此外在设计柱脚中的连接焊缝时要考虑施焊的方便与可能性。图铰接柱脚(a)(b)图刚接柱脚图是常用的刚接柱脚型式主要用于框架柱(压弯构件)。图(a)是整体式刚接柱脚用于实腹柱和肢间距离小于m的格构柱。当格构柱肢间距离较大时采用整体式柱脚是不经济的这时多采用分离式柱脚如图(b)所示每个分肢下的柱脚相当于一个轴心受力铰接柱脚两柱脚之间用膈材联系起来。图柱脚的抗剪键柱脚通过预埋在基础上的锚栓来固定。锚栓按柱脚是铰接还是刚接进行布置和固定。铰接柱脚只沿着一条轴线设置两个连接于底板上的锚栓(图)锚栓固定在底板上对柱端转动约束很小承受的弯矩也很小接近于铰接。底板上的锚栓孔的直径应比锚栓直径大~倍并做成U形缺口待柱子就位并调整到设计位置后再用垫板套住锚栓并与底板焊牢。在铰接柱脚中锚栓不需计算。刚接柱脚中靴梁沿柱脚底板长边方向布置锚栓布置在靴梁的两侧并尽量远离弯矩所绕轴线。锚栓要固定在柱脚具有足够刚度的部位通常是固定在由靴梁挑出的承托上。在弯矩作用下刚接柱脚底板中拉力由锚栓来承受所以锚栓的数量和直径需要通过计算决定。靴梁在柱脚弯矩作用下变形很小能够传递弯矩符合刚接柱脚的要求。为了便于柱子的安装锚栓不宜穿过柱脚底板。柱脚的剪力主要依靠底板与基础之间的摩擦力来传递。当仅靠摩擦力不足以承受水平剪力时应在柱脚底板下面设置抗剪键如图所示抗剪键可用方钢、短T形钢做成。也可将柱脚底板与基础上的预埋件用焊接连接。近年来一种将钢柱直接插入混凝土杯口基础内用二次浇注混凝土将其固定的插入式柱脚形式已在多项单层工业厂房工程中应用效果较好。这种柱脚构造简单、节约钢材、安装调整快捷、安全可靠已列入GB规范的第章的节。轴心受压柱的柱脚计算.底板的计算底板的平面尺寸取决于基础材料的抗压能力假设基础对底板的压应力是均匀分布的则底板的面积(见图b)按下式计算:≥()式中L、B底板的长度和宽度N柱的轴心压力fc基础所用混凝土的抗压强度设计值A锚栓孔的面积。根据构造要求定出底板的宽度:()式中a柱截面已选定的宽度或高度t靴梁厚度通常取~mmc底板悬臂部分的宽度通常取锚栓直径的(~)倍锚栓常用直径为~mm。底板的长度为。底板的平面尺寸L、B应取整数。根据柱脚的构造型式可以取L与B大致相同。底板的厚度由板的抗弯强度决定。可以把底板看作是一块支承在靴梁、隔板、肋板和柱端的平板承受从基础传来的均匀反力。靴梁、隔板、肋板和柱端面看作是底板的支承边并将底板分成不同支承形式的区格其中有四边支承、三边支承、两相邻边支承和一边支承。在均匀分布的基础反力作用下各区格单位宽度上最大弯矩为:四边支承板:()三边支承板及两相邻边支承板:()一边支承(悬臂)板:()式中q作用于底板单位面积上的压力a四边支承板中短边的长度α系数由板的长边b与短边a之比查表a三边支承板中自由边的长度两相邻支承板中对角线的长度见图中(b)、(d)β系数由ba查表b为三边支承板中垂直于自由边方向的长度或两相邻边支承板中的内角顶点至对角线的垂直距离见图中(b)、(d)。当三边支承板ba小于时可按悬臂长为b的悬臂板计算c悬臂长度。表四边支承板弯矩系数αba≥α表三边支承板及两相邻边支承板弯矩系数βba≥β经过计算取各区格板中的最大弯矩Mmax按公式()来确定底板的厚度t。合理的设计应使各区格板的弯矩值基本相近如果区格板的弯矩值相差很大则应调整底板尺寸或重新划分区格。为了使底板具有足够的刚度以满足基础反力均匀分布的假设底板厚度一般为~mm最小厚度不宜小于mm。.靴梁的计算在柱脚制造时柱身往往做得稍短一些见图(c)在柱身与底板之间仅采用构造焊缝相连。在焊缝计算时假定柱端与底板之间的连接焊缝不受力柱端对底板只起划分底板区格支承边的作用。柱压力N是由柱身通过竖向焊缝传给靴梁再传给底板。焊缝计算包括:柱身与靴梁之间竖向连接焊缝承受柱压力N作用的计算靴梁与底板之间水平连接焊缝承受柱压力N作用的计算。同时要求:每条竖向焊缝的计算长度不应大于hf。靴梁的高度根据靴梁与柱身之间的竖向焊缝长度来确定其厚度略小于柱翼缘板厚度。在底板均布反力作用下靴梁按支承于柱侧边的双悬臂简支梁计算。根据靴梁所承受的最大弯矩和最大剪力验算其抗弯和抗剪强度。.隔板、肋板的计算隔板应具有一定的刚度才能起支承底板和侧向支撑靴梁的作用。为此隔板的厚度不得小于宽度的且厚度不小于mm。隔板按支承在靴梁侧边的简支梁计算承受由底板传来的基础反力作用荷载按图(b)所示阴影面积的底板反力计算。根据其承受的荷载计算隔板与底板之间的连接焊缝(隔板内侧不易施焊仅有外侧焊缝)、验算隔板强度、计算隔板与靴梁之间的焊缝。隔板的高度由其与靴梁连接的焊缝长度决定。肋板按悬臂梁计算荷载按图(d)所示的阴影面积的底板反力计算。应计算肋板及其连接的强度。框架柱的柱脚计算框架柱多采用刚接柱脚。有时单层框架也采用铰接柱脚其构造和计算与轴心受压柱的铰接柱脚相似。所不同的是铰接柱脚还要承受剪力。如果水平剪力超过底板与基础间的摩擦力铰接柱脚一般要采取抗剪构造措施如图所示。一、整体式柱脚.底板的计算图(a)为整体式柱脚构造图。柱脚的传力过程与轴心受压柱脚类似即柱子内力由柱身传给靴梁再传至底板。但是由于框架柱脚同时有弯矩和轴心压力作用底板下的压力不是均匀分布的并且可能出现拉力。如果底板下出现拉力则此拉力由锚栓来承受。假定柱脚底板与基础接触面的压应力成直线分布底板下基础的最大压应力按下式计算:≤()式中N、M使基础一侧产生最大压应力的内力组合值B、L底板的宽度、长度fc混凝土的抗压强度设计值。根据底板下基础的最大压应力不超过混凝土抗压强度设计值的条件即可确定底板面积。一般先按构造要求决定底板宽度B其中悬伸宽度C一般取~mm然后求出底板的长度L。底板厚度的计算方法与轴心受压柱脚相同。虽然底板各区格所承受的压应力不是均匀分布的但是在计算各区格底板的弯矩值时可以偏于安全地按该区格的最大压应力计算。底板的厚度一般不小于mm。.锚栓的计算底板另一侧的应力为:()当最小应力σmin出现负值时说明底板与基础之间产生拉应力。由于底板和基础之间不能承受拉应力此时拉应力的合力由锚栓承担。根据对混凝土受压区压应力合力作用点的力矩平衡条件ΣM=可得锚栓拉力Z为:()式中M、N使锚栓产生最大拉力的内力组合值a柱截面形心轴到基础受压区合力点间的距离X锚栓位置到基础受压区合力点间的距离。其中:每个锚栓所需要的有效截面面积为:()式中n柱脚受拉侧锚栓数锚栓的抗拉强度设计值。锚栓直径不小于mm。锚栓下端在混凝土基础中用弯钩或锚板等锚固保证锚栓在拉力Z作用下不被拔出。锚栓承托肋板按悬臂梁设计高度一般不小于~mm。.靴梁、隔板、肋板及其连接焊缝的计算柱身与靴梁连接焊缝承受的最大内力N按下式计算:()靴梁的高度由靴梁与柱身之间的焊缝长度确定其高度不宜小于mm。靴梁按双悬臂简支梁验算截面强度荷载按底板上不均匀反力的最大值计算。靴梁与底板之间的连接焊缝按承受底板下不均匀基础反力的最大值设计。在柱身范围内靴梁内侧不易施焊故仅在靴梁外侧布置焊缝。隔板、肋板及其连接的设计与轴心受压柱脚相似只是荷载按底板下不均匀反力相应受荷范围的最大值计算。二、分离式柱脚图(b)为分离式柱脚的构造图。这种柱脚可以认为是由两个独立的轴心受压柱脚所组成。每个分肢的柱脚都是根据其可能产生的最大压力按轴心受压柱脚进行设计。受拉分肢的全部拉力由锚栓承担并传至基础。分离式柱脚的两个独立柱脚所承受的最大压力为:右肢:()左肢:()式中N、M使右肢产生最大压力的柱内力组合值N、M使左肢产生最大压力的柱内力组合值Z、Z分别为右肢、左肢至柱轴线的距离h两分肢轴线距离。每个柱脚的锚栓也按各自的最不利内力组合换算成的最大拉力计算。例题试设计轴心受压柱的柱脚已知:柱子采用热扎H型钢截面为HW×××轴心压力设计值为KN柱脚钢材选用Q焊条为E型。基础混凝土强度等级为Cfc=Nmm。解:选用带靴梁的柱脚如图所示。.​ 底板尺寸锚栓采用d=mm锚栓孔面积A约为mm靴梁厚度取mm悬臂C=d≈mm则需要的底板面积为:mm图例题图B=atc=()=mmmm采用B×L=×。底板承受的均匀压应力:Nmm四边支承板(区格①)的弯矩为:ba==查表α==××=N·mm三边支承板(区格②)的弯矩为ba==查表β==××=N·mm悬臂板(区格③)的弯矩为:N·mm各区格板的弯矩值相差不大最大弯矩为:Nmm底板厚度为:≥mm取底板厚度为mm。.靴梁与柱身间竖向焊缝计算连接焊缝取hf=mm则焊缝长度Lw为:hf靴梁高度取mm。.靴梁与底板的焊缝计算靴梁与底板的焊缝长度为:mm所需焊缝尺寸hf为:mm选用hf=mm.靴梁强度计算靴梁按双悬臂简支梁计算悬伸部分长度l=mm。靴梁厚度取t=mm。底板传给靴梁的荷载q为:Nmm靴梁支座处最大剪力Vmax为:N靴梁支座处最大弯矩Mmax为:N·mm靴梁强度:Nmm<fv=Nmm。Nmm<f=Nmm.隔板计算隔板按简支梁计算隔板厚度取t=mm。底板传给隔板的荷载:Nmm隔板与底板的连接焊缝强度验算(只有外侧焊缝):连接焊缝取hf=mm焊缝长度为Lw。Nmm<=Nmm隔板与靴梁的连接焊缝计算:取hf=mm。隔板的支座反力R为:N焊缝长度Lw为:mm取隔板高度h=mm取隔板厚度t=mm>==mm。隔板强度验算:NN·mmNmm<fv=NmmNmm<f=Nmm柱脚与基础的连接按构造要求选用两个直径d=mm的锚栓。例题试设计框架柱的整体式柱脚。已知:柱子采用焊接工字形截面柱子翼缘为-×腹板为-×。柱脚钢材为Q焊条为E型柱脚和锚栓的最不利荷载组合的内力设计值N=KNM=KNm。基础混凝土强度等级为Cfc=Nmm。解:选用整体式刚接柱脚如图所示。.底板尺寸靴梁厚度取t=mm则底板宽度B为:mm底板面积:整理得L-L-=求得L=mm选用B×L=×。基础面的实际应力为:NmmNmmNmm其中受压区高度分别为:mm(按公式()的符号说明计算)mm悬臂板的弯矩为:Nmm三边支承板的弯矩为:由于b与a相差大按悬臂板计算弯矩。Nmm四边支承板的弯矩为:隔板与柱翼缘范围:取α=。Nmm柱腹板与靴梁范围:柱身范围底板的受压区长边b'=c取α=。Nmm各区格中板的最大弯矩Mmax为:Mmax=Nmm底板厚度:≥mm取底板厚度为mm。.靴梁与柱身间竖向焊缝计算KN取hf=mm焊缝长度lw为:mm取靴梁高度h=mm。.靴梁与底板的焊缝计算悬伸部分(四条焊缝):mm柱身部分(两条焊缝):mm取焊缝尺寸hf=mm。.靴梁强度计算靴梁按双悬臂简支梁计算悬伸部分长度l=mm靴梁厚度取t=mm。靴梁支座处最大剪力Vmax为:N靴梁支座处最大弯矩Mmax为:=×Nmm靴梁强度:Nmm<fv=NmmNmm<f=Nmm.隔板计算隔板按简支梁计算隔板厚度取t=mm。底板传给隔板的荷载:Nmm隔板与底板的连接焊缝mm取hf=mm。隔板与靴梁的连接焊缝取hf=mm。隔板的支座反力R为:N焊缝长度Lw为:mm隔板高度取h=mm厚度取t=mm。隔板强度验算:NNmmNmm<fv=NmmNmm<f=Nmm.锚栓计算C=mmmmmm锚栓拉力Z为:Nmm选用φ锚栓钢材为Q。.加劲肋计算加劲肋按悬臂梁计算所承受的压力。加劲肋厚度取t=mm。加劲肋与横板的焊缝计算mm取hf=mm。加劲肋与靴梁的焊缝计算:V=N'=×NM=N'×=××=×Nmm取hf=mmlw=(-)=mmNmm<=Nmm。加劲肋强度计算从略。§支座节点支座节点的形式图平板支座钢结构与其支承结构或基础的连接节点称为支座节点(Supports)因此前述的桁架或梁与钢筋混凝土柱或砖柱的连接节点和柱脚节点均属于支座节点。支座节点的构造形式可分为固支(如与基础刚接的柱脚)、不动铰支和可动铰支等。本节重点介绍后二种支座节点。总体上说支座节点构造应与结构计算时采用的约束条件相符合能够安全、准确地传递支座反力同时还应做到受力明确、传力简捷、构造简单、制造安装方便。铰支支座节点有三种基本形式:平板支座、弧形支座和铰轴式支座。图是工程中常见的平板支座。图(a)所示在梁端下面设置钢板梁端不能灵活地移动和转动一般在跨度小于m的梁中采用。图(b)用于球节点(焊接空心球或螺栓球)的网架支座不能完全转动与计算简图有差异一般用在跨度小于m的网架中。图弧形支座图辊轴支座图所示为弧形支座弧形板是用厚钢板(厚度为~mm)将顶面切削加工而成。支座沿圆柱形弧面可以转动但弧形支座下的摩擦力仍然较大可用于能产生一定水平线位移的铰支座。弧形支座节点与计算简图比较接近。图(a)所示为梁端弧形支座常用于~m的梁中。图(b)所示适用于中小跨度的网架。当支座反力较大时可设个锚栓图(c)为使锚栓锚固后不影响支座转动应在锚栓上加弹簧。图所示为辊轴支座节点。在辊轴支座中以滚动摩擦代替了滑动摩擦可以当作一种能自由移动的支座型式。图(a)所示为铰轴式支座示意图支座可以自由转动。铰轴式支座节点与简支梁的计算简图完全一致适用于对转动约束条件有严格要求的结构。图(b)所示为梁端铰轴式支座用于跨度大于m的梁。图(c)所示为格构式拱支座。格构式拱在支座处必须过渡到实腹截面因此格构式拱与实腹式拱的支座节点完全相同。(a)(b)(c)图铰轴式支座图板式橡胶支座板式橡胶支座节点如图所示。在支座底板与支承面之间设置一块橡胶垫板。橡胶垫板是由多层橡胶片与薄钢板间隔粘合、压制而成。由于橡胶垫板具有良好的弹性和较大的剪切变位能力因而支座既可转动又可在水平方向产生一定的弹性变位。这种支座一般用于对水平推力有限制或需释放温度应力的大跨度梁和大中跨度的网架结构中。图所示为固定铰支座节点节点可以转动而不能产生线位移。因此节点只能传递轴向力和剪力而不能传递弯矩。这种支座多用于跨度较大的网壳结构中。图(a)为双向弧形铰支座是由两个弧形支座组合而成。它可以使支座节点不产生任何线位移而有效地传递支座水平反力。为使节点能作转动两块弧形垫板应位于以节点中心为圆心的同心圆上。图(b)是双向板式橡胶支座采用橡胶垫板代替弧形支座来达到同样的目的。(a)(b)图固定铰支座图所示为橡胶垫板滑动支座在支座底板与橡胶垫板间加设了一层不锈钢板力求减小摩擦力以使支座与橡胶垫板间能产生相对滑移。这种支座一般用于网架结构中。支座节点的设计平板支座底板(或垫板)的面积可按公式()确定但应令N=R。支座底板的厚度按均布支座反力产生的最大弯矩进行计算。弧形支座(图)和辊轴支座(图)中圆柱形弧面与平板为线接触其支座反力R应满足下式要求:R≤()式中d对辊轴支座为辊轴直径对弧形支座为弧形表面接触点曲率半径r的倍n辊轴数目对弧形支座n=l弧形表面或辊轴与平板的接触长度。铰轴式支座的圆柱形枢轴(图)当两相同半径的圆柱形弧面自由接触的中心角θ≥°时其承压应力应按下式计算:()式中d枢轴直径l枢轴纵向接触面长度。在网架、网壳等大跨度结构中支座节点可能承受拉力。当结构跨度较小可采用图(b)所示的平板支座节点此时锚栓承受拉力。当结构跨度较大可采用弧形支座节点为了更好地将拉力传递到支座上在承受拉力的锚栓附近应设置肋板以增加节点刚度。橡胶支座底板的计算与平板支座一样。橡胶垫板除有足够的承压强度外还需对其压缩变位、抗剪、抗滑性能进行验算。具体计算时可参考有关资料。板式橡胶支座存在橡胶老化问题有待进一步研究解决。§直接焊接管节点钢管构件与开口截面构件相比具有较高的抗压和抗扭承载能力且两个方向的抗弯承载能力相等或相近采用直接焊接的管节点(Weldedtubularconnections)除外形轻巧美观外节点形式简单节约钢材还可形成封闭空间节约防腐涂料。由于上述的优越性直接焊接钢管结构获得了较快的发展和应用。直接焊接管节点的设计包括下列内容:管节点的构造形式相贯焊缝的计算和管节点的承载力计算。

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