格构式柱柱梁连接文档格式.docx
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斜缀条长,则:
斜缀条的轴向变形为:
A1——斜缀条总面积
假设变形和剪切角是有限的微小值,则由引起的水平变位为:
故剪切角为:
(5.26)
这里,为斜缀条与柱轴线间的夹角,代入式(5.25)中得:
(5.27)
一般斜缀条与柱轴线间的夹角在400~700范围内,在此常用范围,的值变化不大(图5.17),我国规范加以简化取为常数27,由此得双肢缀条柱的换算长细比为:
(5.28)
式中——整个柱对虚轴的长细比(不计缀材);
A——整个柱肢的毛截面面积;
A1——一个节间内两侧斜缀条毛截面面积之和。
需要注意的是,当斜缀条与柱轴线间的夹角不在400~700范围内时,值将大27很多,式(5.28)是偏于不安全的,此时应按式(5.27)计算换算长细比。
(2)双肢缀板柱
双肢缀板柱中缀板与肢件的连接可视为刚接,因而分肢和缀板组成一个多层框架,假定变形时反弯点在各节点的中点[图5.18(a)]。
若只考虑分肢和缀板在横向剪力作用下的弯曲变形,取分离体如图5.18(b)所示,A为分肢横截面积之和;
l1分肢节间高度;
a分肢轴间距;
I1分肢绕弱轴的惯性矩;
Ib缀板的惯性矩;
可得单位剪力作用下缀板弯曲变形引起的分肢变位为:
5.4.2.3缀材设计
(1)轴心受压格构柱的横向剪力
格构柱绕虚轴失稳发生弯曲时,缀材要承受横向剪力的作用。
因此,需要首先计算出横向剪力的数值后才能进行缀材的设计。
图5.19所示一两端铰支轴心受压柱,绕虚轴弯曲时,假定最终的挠曲线为正弦曲线,跨中最大挠度为:
则沿杆长任一点的挠度为:
式中——按虚轴换算长细比确定的整体稳定系数。
令N=,即得《钢结构设计规范》规定的最大剪力的计算式:
(5.33)
在设计中,将剪力V沿柱长度方向取为定值,相当于简化为图5.19(c)的分布图形。
(2)缀条的设计
缀条的布置一般采用单系缀条图5.20(a),也可采用交叉缀条[图5.20(b)]。
缀条可视为以柱肢为弦杆的平行弦桁架的腹杆,内力与桁架腹杆的计算方法相同。
在横向剪力作用下,一个斜缀条的轴心力为(图5.20):
(5.34)
式中V1——分配到一个缀材面上的剪力;
n——承受剪力V1的斜缀条数。
单系缀条时,n=1;
交叉缀条时,n=2;
——缀条的倾角(图5.20)。
由于剪力的方向不定,斜缀条可能受拉也可能受压,应按轴心压杆选择截面。
缀条一般采用单角钢,与柱单面连接,考虑到受力时的偏心和受压时的弯扭考虑扭转效应)时,应按钢材强度设计值乘以下列折减系数;
①按轴心受力计算构件的强度和连接时,=0.85。
②按轴心受压计算构件的稳定性时
等边角钢=0.6十0.00l5A,但不大于1.0
短边相连的不等边角钢=0.5十0.0025,但不大于1.0
长边相连的不等边角钢=0.70
为缀条的长细比,对中间无联系的单角钢压杆、按最小回转半径计算,当<20时,取=20。
交叉缀条体系[图5.20(b)]的横缀条按受压力N=Vl计算。
为了减小分肢的计算长度,单系缀条[图5.20(a)]也可加横缀条,其截面尺寸一般与斜缀条相同,也可按容许长细比([]=150)确定。
(3)缀板的设计
缀板柱可视为一多层框架(肢件视为框架立柱,缀板视为横梁)。
当它整体挠曲时,假定各层分肢中点和缀板中点为反弯点[图5.18(a)]。
从柱中取出如图5.2l(b)所示脱离体,可得缀板内力为:
剪力:
(5.35)
弯矩(与肢件连接处):
(5.36)
式中——缀板中心线间的距离;
a——肢件轴线间的距离。
缀板与肢体间用角焊缝相连,角焊缝承受剪力和扭矩的共同作用。
由于角焊缝的强度设计值小于钢材的强度设计值,故只需用上述M和T验算缀板与肢件间的连接焊缝。
缀板应有一定的刚度。
规范规定,同一截面处两侧缀板线刚度之和不得小于一个分肢线刚度的6倍。
一般取宽度d≥2a/3[图5.21(b)],厚度t≥a/40,并不小于6mm。
5.4.2.4格构柱的设计步骤
格构柱的设计需首先选择柱肢截面和缀材的形式,按下列步骤进行设计:
(1)按对实轴(y—y轴)的整体稳定选择柱的截面,方法与实腹柱的计算相同。
(2)按对虚轴(x—x轴)的整体稳定确定两分肢的距离。
为了获得等稳定性,应使两方向的长细比相等,即使。
缀条柱(双肢):
即:
(5.37)
缀板柱(双肢):
(5.38)
对缀条柱应预先确定斜缀条的截面A1;
对缀板柱应先假定分肢长细比。
按式(5.37)或式(5.38)计算得出后,即可得到对虚轴的回转半径:
根据表5.6,可得柱在缀材方向的宽度,亦可由已知截面的几何量直接算出柱的宽度b。
(3)验算对虚轴的整体稳定性,不合适时应修改柱宽b再进行验算。
(4)设计缀条或缀板(包括它们与分肢的连接)。
进行以上计算时应注意:
(1)柱对实轴的长细比和对虚轴的换算长细比均不得超过容许长细比;
(2)缀条柱的分肢长细比不得超过柱两方向长细比(对虚轴为换算长细比)较大值的0.7倍,否则分肢可能先于整体失稳;
(3)缀板柱的分肢长细比不大于40,并不应大于柱较大长细比的0.5倍(当<50时,取=50〉,亦是为了保证分肢不先于整体构件失去承载能力。
5.4.3柱的横隔
格构柱的横截面为中部空心的矩形,抗扭刚度较差。
为了提高格构柱的抗扭刚度,保证柱子在运输和安装过程中的截面形状不变,应每隔一段距离设置横隔。
另外,大型实腹柱(工字型或箱型)也应设置横隔(图5.22)。
横隔的间距不得大于柱子较大宽度的9倍或8m,而且每个运送单元的端部均应设置横隔。
当柱身某一处受有较大水平集中力作用时,也应在该处设置横隔,以免柱肢局部受弯。
横隔可用钢板{图5.22(a)、(c)、(d)}或交叉角钢[图5.22(b)]做成。
工字形截面实腹柱的横隔只能用钢板制作,它与横向加劲肋的区别在于与翼缘同宽[图5.22(c)],而横向加劲肋则通常较窄。
箱形截面实腹柱的横隔,有一边或两边不能预先焊接,可先焊两边或三边,装配后再在柱壁钻孔用电渣焊焊接其他边[图5.22(d)]。
[例5.3]设计一缀板柱,柱高6m,两端铰接,轴心压力为l000kN(设计值),钢材为Q235钢,截面无孔眼削弱。
[解]
5.5柱头和柱脚
单个构件必须通过相互连接才能形成结构整体,轴心受压柱通过柱头直接承受上部结构传来的荷载,同时通过柱脚将柱身的内力可靠地传给基础。
最常见的上部结构是梁格系统。
梁与柱的连接节点设计必须遵循传力可靠、构造简单和便于安装的原则。
5.5.1梁与柱的连接
梁与轴心受压柱的连接只能是铰接,若为刚接,则柱将承受较大弯矩成为受压受弯柱。
梁与柱铰接时,梁可支承在柱顶上[图5.25(a)、(b)、(c)]。
亦可连于柱的侧面[图5.25(d)、(e)]。
梁支于柱顶时,梁的支座反力通过柱顶板传给柱身。
顶板与柱用焊缝连接,顶板厚度一般取16—20mm。
为了便于安装定位,梁与顶板用普通螺栓连接。
图5.25(b)的构造方案,将梁的反力通过支承加劲肋直接传给柱的翼缘。
两相邻梁之间留一空隙,以便于安装,最后用夹板和构造螺栓连接。
这种连接方式构造简单,对梁长度尺寸的制作要求不高。
缺点是当柱顶两侧梁的反力不等时将使柱偏心受压。
图5.25(b)的构造方案,梁的反力通过端部加劲肋的突出部分传结柱的轴线附近,因此即使两相邻梁的反力不等,柱仍接近于轴心受压。
梁端加劲肋的底面应刨平顶紧于柱顶板。
由于梁的反力大部分传给柱的腹板,因而腹板不能太薄且必须用加劲肋加强。
两相邻梁之间可留一些空隙,安装时嵌入合适尺寸的填板并用普通螺拴连接。
对于格构柱[图5.25(c)],为了保证传力均匀并托住顶板,应在两柱肢之间设置竖向隔板。
在多层框架的中间梁柱中,横梁只能在柱侧相连。
图5.25(d)、(e)是梁连接于柱侧面的铰接构造。
梁的反力由端加劲肋传给支托,支托可采用T形[图5.25(e)],也可用厚钢板做成[图5.25(d)],支托与柱翼缘间用角焊缝相连。
用厚钢板做支托的方案适用于承受较大的压力,但制作与安装的精度要求较高。
支托的端面必须刨平并与梁的端加劲肋顶紧以便直接传递压力。
考虑到荷载偏心的不利影响,支托与柱的连接焊缝按梁支座反力的1.25倍计算。
为方便安装,梁端与柱间应留空隙加填板并设置构造螺栓。
当两侧梁的支座反力相差较大时,应考虑偏心,按压弯柱计算。
图5.25梁与柱的铰接连接
5.5.2柱脚
柱脚的构造应使柱身的内力可靠地传给基础,并和基础有牢固的连接。
轴心受压柱的柱脚主要传递轴心压力,与基础的连接一般采用铰接(图5.26)。
图5.26是几种常用的平板式铰接柱脚。
由于基础混凝土强度远比钢材低,所以必须把柱的底部放大,以增加其与基础顶部的接触面积。
图5.26(a)是一种最简单的柱脚构造形式,在柱下端仅焊一块底板,柱中压力由焊缝传至底板,再传给基础。
这种柱脚只能用于小型柱,如果用于大型柱,底板会太厚。
一般的铰接柱脚常采用图5.26(b)、(c)、(d)的形式,在柱端部与底板之间增设一些中间传力零件,如靴梁、隔板和肋板等,以增加柱与底板的连接焊缝长度,并且将底板分隔成几个区格,使底板的弯矩减小,厚度减薄。
图5.26(b)中,靴梁焊于柱的两侧,在靴梁之间用隔板加强,以减小底板的弯矩,并提高靴梁的稳定性。
图5.26(c)是格构柱的柱脚构造。
图5.26(d)中,在靴梁外侧设置肋板,底板做成正方形或接近正方形。
布置柱脚中的连接焊缝时,应考虑施焊的方便与可能。
例如图5.26(b)隔板的里侧,图5.26(c)、(d)中靴梁中央部分的里侧,都不宜布置焊缝。
柱脚是利用预埋在基础中的锚栓来固定其位置的。
铰接柱脚只沿着一条轴线设立两个连接于底板上的锚栓,见图5.26。
底板的抗弯刚度较小,锚栓受拉时,底板会产生弯曲变
形,阻止柱端转动的抗力不大,因而此种柱脚仍视为铰接。
如果用完全符合力学图形的铰,将给安装工作带来很大困难,而且构造复杂,一般情况没有此种必要。
铰接柱脚不承受弯矩,只承受轴向压力和剪力。
剪力通常由底扳与基础表面的摩擦力传递。
当此摩擦力不足以承受水平剪力时,应在柱脚底板下设置抗剪键(图5.27),抗剪键可用方钢、短T字钢或H型钢做成。
铰接柱脚通常仅按承受轴向压力计算,轴向压力N一部分由柱身传给靴梁、肋板等,再传给底板,最后传给基础;
另一部分是经柱身与底扳间的连接焊缝传给底板,再传给基础。
然而实际工程中,柱端难于做到齐平,而且为了便于控制柱长的准确性,柱端可能比靴梁缩进一些[图5.26(c)]。
(1)底板的计算
①底板的面积
底板的平面尺寸决定
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