第4章轴心受力构件4(2011)

第四章轴心受力构件§4－5柱头和柱脚一、柱头（梁与柱的连接－铰接）（一）连接构造为了使柱子实现轴心受压，并平安将荷载传至基础，必需合理构造柱头、柱脚。设计原则是：传力明确、过程简洁、经济合理、平安牢靠，并具有足够的刚度且构造又不困难。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变更，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，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，还可以承受确定数量的弯矩，梁与柱轴线间的夹角在节点转动时将有所变更，但又受到确定程度的约束。

在实际工程中，上述志向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志向刚性连接弯矩的20%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志向刚性连接弯矩的90%以上时，即可认为是刚性连接。半刚性连接的弯矩——转角关系较为困难，它随连接形式、构造细微环节的不同而异。进行结构设计时，必需通过试验或其他方法供应较为精确的节点弯矩——转角关系。设计部门很难办到，因此目前较少接受半刚性连接节点。4.3.1梁与柱的铰接连接1．梁支承于柱顶的铰接连接图8.3.1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，顶板与柱身接受焊缝连接。每个梁端与柱接受螺栓连接，使其位置固定在柱顶板上。顶板厚度一般取16~20mm。在图8.3.1（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干脆传给柱的翼缘。这种连接形式构造简洁，施工便利，适用于相邻梁的支座反力相等或差值较小的状况。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8.3.1（b）中，梁端接受突缘支座，突缘板底部刨平（或铣平），与柱顶板干脆顶紧，梁的支座反力通过突缘板作用在柱身的轴线旁边。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匀整扩散的要求。加劲肋与顶板的水平焊缝连接应按传力须要计算。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10~20mm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8.3.1（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匀整，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心处设置竖向隔板，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。2．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8.3.2所示。

当梁的支座反力不大时，可接受如图8.3.2（a）所示的连接构造。梁端可不设支承加劲肋，干脆放在柱的承托上，用一般螺栓固定其位置。梁端与柱侧面预留确定间隙，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洁，施工便利。当梁的支座反力较大时，可接受如图8.3.2（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，有时为了安装便利，也可接受加劲后的角钢。承托的厚度应比梁端突缘板的厚度大10~12mm，承托的宽度应比梁端突缘板的宽度大10mm。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1.25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5~10mm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。（二）、传力途径传力路线：梁突缘柱顶板加劲肋柱身焊缝垫板焊缝焊缝柱顶板加劲肋柱梁梁突缘垫板填板填板构造螺栓（三）、柱头的计算(1)梁端局部承压计算梁设计中讲授(2)柱顶板

平面尺寸超出柱轮廓尺寸15-20mm，厚度不小于14mm。（3）加劲肋加劲肋与柱腹板的连接焊缝按承受剪力V=N/2和弯矩M=Nl/4计算。N/2l/2l15-20mm15-20mmt≥14mm8.3.2梁与柱的刚性连接框架梁与柱的连接节点做成刚性连接，可以增加框架的抗侧移刚度，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接受刚性连接。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8.3.3是梁与柱的刚性连接构造图。图8.3.3（a）所示为多层框架工字形梁和工字形柱全焊接刚性连接。梁翼缘与柱翼缘接受坡口对接焊缝连接。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=30~35mm的半园孔。梁翼缘焊缝承受由梁端弯矩产生的拉力和压力；梁腹板与柱翼缘接受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，缺点是梁须要现场定位、工地高空施焊，不便于施工。为了消退上述缺点，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8.3.3（b）所示，在施工现场再接受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8.3.3（c）为梁腹板与柱翼缘接受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。§4-6柱脚节点1.柱脚的形式与构造柱脚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，须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8.6.1是几种常用的铰接柱脚型式，主要用于轴心受压柱。图8.6.1

(a)

在柱子下端干脆与底板焊接。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状况。当柱子轴力较大时，通常接受图8.6.1(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，变更了底板的支承条件。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8.6.1(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8.6.1(c)是格构柱仅接受靴梁的柱脚型式。图8.6.1(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接受靴梁，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，要考虑施焊的便利与可能性。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8.6.1），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0.5~1.0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。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8.6.3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。2.柱脚的计算(1)底板的面积假设基础与底板间的压应力匀整分布。式中：fc--混凝土轴心抗压设计强度；βl--基础混凝土局部承压时的强度提高系数。

fc、βl均按《混凝土结构设计规范》取值。An—底版净面积，An=B×L-A0。Ao--锚栓孔面积，一般锚栓孔直径为锚栓直径的1～1.5倍。cca1Bt1t1ab1靴梁隔板底板La1—构件截面高度；t1—靴梁厚度一般为10～14mm；c—悬臂长度，c=3～4倍螺栓直径d，d=20～24mm，则L可求。(2)底板的厚度底板的厚度，取决于受力大小，可将其分为不同受力区域：一边(悬臂板)、两边、三边和四边支承板。①一边支承部分（悬臂板）cca1Bt1t1ab1L②二相邻边支承部分：--对角线长度；--系数，与有关。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–内角顶点至对角线的垂直距离；

③三边支承部分：--自由边长度；--系数，与有关。式中：cca1Bt1t1ab1L当b1/a1<0.3时，可按悬臂长度为b1的悬臂板计算。b1/a10.30.40.50.60.70.80.91.01.1≥1.2β0.0260.0420.0560.0720.0850.0920.1040.1110.1200.125b1–垂直于自由边的宽度；④四边支承部分：式中：

a--四边支承板短边长度；b--四边支承板长边长度；

α—系数，与b/a有关。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

在柱脚制造时，柱身往往做得稍短一些[见图8.6.1(c)]，在柱身与底板之间仅接受构造焊缝相连。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60hf。

靴梁的高度依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。依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。2．靴梁的计算3．隔板、肋板的计算

隔板应具有确定的刚度，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1/50，且厚度不小于10mm。

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8.6.1(b)所示阴影面积的底板反力计算。依据其承受的荷载，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确定。

肋板按悬臂梁计算，荷载按图8.6.1(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。隔板截面验算：q’h1a1式中：(5)靴梁及隔板与底板间的焊缝的计算按正面角焊缝，担当全部轴力计算，焊脚尺寸由构造确定。柱脚零件间的焊缝布置焊缝布置原则：考虑施焊的便利与可能一、柱头自学二、柱脚1、铰接柱脚：同轴压柱脚2、刚接柱脚:框架柱多接受刚接柱脚。有时，单层框架也接受铰接柱脚，其构造和计算与轴心受压柱的铰接柱脚相像。所不同的是铰接柱脚还要承受剪力。假如水平剪力超过底板与基础间的摩擦力，铰接柱脚一般要实行抗剪构造措施，如图所示。1）整体式刚性柱脚适用于实腹柱及分肢间距小的压弯构件，常用形式如图A：2）分别式刚性柱脚适用于分肢间距大的压弯构件，常用形式如图B：§8.7

压弯构件的柱头和柱脚图A图B3、整体式刚性柱脚的设计1．底板的计算

图8.6.2

(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，底板下的压力不是匀整分布的，并且可能出现拉力。假如底板下出现拉力，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：2）底板厚度确定同轴压柱脚，计算各区格板弯矩时，可取其范围内的最大反力。1）底面积确定底板宽度b由构造确定，c=20~30cm;底板长度l计算确定:3）锚栓计算担当M作用下产生的拉力，且锚栓是柱脚与基础坚固连接的关键部件，其直径大小由计算确定。ax合力点由Nt即可查得锚栓个数和直径锚栓担当的拉力：留意：以上计算是假定底板为刚性，计算值偏大；由于栓径较大，故应考虑螺纹处的应力集中，钢材的强度取值应降低，详见规范；由于底板的刚度不足，锚栓不能干脆连于底板，以防止底板变形而使锚栓不能牢靠受拉，连接处应做构造处理，详见教材。

3）靴梁、隔板及其焊缝计算A、靴梁的高度按柱与其连接焊缝的长度确定，每侧焊缝担当的轴力为：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450mm。靴梁按双悬臂简支梁验算截面强度，荷载按底板上不匀整反力的最大值计算。

靴梁与底板之间