钢结构 —钢结构基础 2011-12-9 柱脚 第7章 钢结构的连接和节点构造 §7.1 钢结构对连接的要求及连接方法 §7.2 焊接连接的特性 §7.3 对接焊缝的构造和计算 §7.4 角焊缝的构造和计算 §7.5 焊接残余应力和焊接残余变形 §7.6 普通螺栓连接的构造和计算 §7.7 高强度螺栓连接的性能和计算 §7.12 柱脚设计 习题及思考题 2011-12-9 柱脚 §7.12 柱脚设计 柱脚类型概述 轴心受压柱的柱脚 例题7-16 压弯构件的柱脚 例题7-17 2011-12-9 柱脚 §7.12 柱脚设计 柱脚的作用:传力并连接基础。 1、柱脚的作用:传力并连接基础。 构造: 2、构造:与计算简图符合 刚接柱脚:支承式、埋入式、 刚接柱脚:支承式、埋入式、外包式 铰接柱脚:支承式(外露式) 铰接柱脚:支承式(外露式) 设计原则是:传力明确、经济合理、安全可靠, 设计原则是 :传力明确、 经济合理 、 安全可靠 , 并具有足够的刚度且构造又不复杂。 并具有足够的刚度且构造又不复杂。 2011-12-9 柱脚 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 柱脚的型式和构造 刚接柱脚刚接柱脚-支承式 不能转动 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 柱脚的型式和构造 铰接柱脚型式: 铰接柱脚型式: 型式 1、轴承式柱脚 、 制作安装复杂,费钢材, 制作安装复杂,费钢材, 但与力学符合较好。 但与力学符合较好。 枢轴 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 2、平板式柱脚 混凝土的强度远比钢材低,必须把柱的底部放大, 混凝土的强度远比钢材低,必须把柱的底部放大, 以增加其与基础顶部的接触面积 N 柱 靴梁 底板 X 隔板 锚栓 Y 隔板 N较大 柱端铣平直接传力 加工困难、 加工困难、底板厚 柱脚 N小 焊缝传力 2011-12-9 N较大 设靴梁、 设靴梁、隔板 隔板提高底板抗弯能力 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 肋板 锚栓用以固定柱脚位置,沿轴线布置2 锚栓用以固定柱脚位置,沿轴线布置2个,直径 20-24mm,锚栓孔1.5 2d,用零件板固定。 1.520-24mm,锚栓孔1.5-2d,用零件板固定。 2011-12-9 柱脚 柱脚零件间的焊缝布置 带靴梁铰接柱 平板式铰接柱 焊缝布置原则: 焊缝布置原则: 考虑施焊的方便与可能 常用铰接柱脚的几种形式 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 轴心受压柱脚计算 底板的计算 平面尺寸——基础抗压强度 底板厚度——板抗弯强度 靴梁的计算 高度——焊缝长度 厚度——构造、抗弯剪强度 隔板计算 厚度——刚度、强度 高度——焊缝 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 柱脚计算 计算内容:确定底板尺寸、 计算内容:确定底板尺寸、靴梁 靴梁尺寸、 靴梁尺寸、连接焊缝尺寸 底板 N 柱 隔板 锚栓 a b1 t1 隔板(肋板) L 竖向焊缝 水平焊缝 柱 靴梁 底板 柱脚 混凝土基础 实际计算不考虑 2011-12-9 t1 传力途径 隔板 a1 B §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 柱脚计算 (1)底板面积的计算 ) 靴梁 隔板 底板 L a b1 a1 t1 B t1 底板与基础接触面上的压应力 假定均匀分布 N A = L× B ≥ + A0 f cc N ―柱的轴心压力; 柱的轴心压力; 柱的轴心压力 f cc ―基础材料的抗压强度设计值; 基础材料的抗压强度设计值; 基础材料的抗压强度设计值 A0―锚栓孔的面积。 锚栓孔的面积。 锚栓孔的面积 平面尺寸取决于基础材料的抗压能力 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 底板宽: 底板宽: B=b+2t+2c b— 构件截面高度 t— 靴梁厚度一般为10~14mm 靴梁厚度一般为10~ 10 悬臂宽度,c=3~ c— 悬臂宽度,c=3~4倍螺栓直 d=20~24mm,c=20径d,d=20~24mm,c=20-100mm 底板长: 底板长: L=A/B B≤L≤2B q=N/(B× q=N/(B×L-A0) 2011-12-9 柱脚 a b1 L a1 t1 B t1 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 底板厚: 底板厚: a b1 L 取决于板的抗弯强度 底板划分板块:由靴梁、隔板、柱身支撑,受均匀 底板划分板块:由靴梁、隔板、柱身支撑, 反力 各板块最大弯矩求板厚 板块:一边(悬臂板) 两边、三边和四边支承板。 板块:一边(悬臂板)、两边、三边和四边支承板。 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 ①一边支承部分(悬臂板) 一边支承部分(悬臂板) a b1 q=N A n L 2011-12-9 柱脚 a1 t1 B t1 q? c2 M1 = 2 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 ②二相邻边支承部分: 二相邻边支承部分: a1 t1 B t1 ≥1.2 0.125 M2 = β ? q? a 2 2 a b1 式中: 式中: --对角线长度; 对角线长度 a2--对角线长度; --系数 系数, 有关。 β --系数,与 b2 /a2 有关。 b2/a2 0.3 0.026 0.4 0.042 0.5 0.056 0.6 0.072 0.7 0.085 0.8 0.092 0.9 0.104 L 1.0 0.111 1.1 0.120 β 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 ③三边支承部分: 三边支承部分: a1 M3 = β ? q? a 2 1 a b1 式中: 式中: --自由边长度 自由边长度; a1--自由边长度; --系数 系数, 有关。 β --系数,与 b1 /a1 有关。 b1/a1 0.3 0.026 0.4 0.042 0.5 0.056 0.6 0.072 0.7 0.085 0.8 0.092 0.9 0.104 L 1.0 0.111 1.1 0.120 ≥1.2 0.125 β <0.3时 可按悬臂长度为b 的悬臂板计算。 当b1/a1<0.3时,可按悬臂长度为b1的悬臂板计算。 2011-12-9 柱脚 t1 B t1 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 ④四边支承部分: 四边支承部分: a 2 b1 M4 =α ? q? a 式中: 式中: L a--四边支承板短边长度; --四边支承板短边长度; --四边支承板短边长度 b--四边支承板长边长度; --四边支承板长边长度; --四边支承板长边长度 系数, 有关。 α—系数,与b/a有关。 系数 有关 b/a α 1.0 0.048 1.1 0.055 1.2 0.063 1.3 0.069 1.4 0.075 1.5 0.081 1.6 0.086 1.7 0.091 1.8 0.095 1.9 0.099 2.0 0.101 3.0 0.119 ≥4.0 0.125 2011-12-9 柱脚 a1 t1 B t1 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 底板厚: 底板厚: 取 m = m {M1 M2, 3, 4} M ax M M ax , 6Mm ax 底 厚 t= 板 : f 20mm≤t≤40mm t≥14mm(刚度要求,满足反力均匀) t≥14mm(刚度要求,满足反力均匀) 各区格弯矩相近, 各区格弯矩相近,否则重新调整尺寸及划分 2011-12-9 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 靴梁的计算 厚度:宜与柱翼缘尺寸相近,最小厚度10mm 厚度:宜与柱翼缘尺寸相近,最小厚度10mm 高度:由其与柱间的焊缝( 长度确定。 高度:由其与柱间的焊缝(4条)长度确定。 N lw = ≤ 60hf w 4×0.7hf f f 所 : a = lw + 2hf 以 h 且 10的 数 取 倍 。 hf≤1.2t1 2011-12-9 柱脚 靴梁 ha a b1 L a1 t1 B t1 靴梁的计算—靴梁的截面验算 靴梁的计算 靴梁的截面验算 按支承在柱边的双悬臂外伸梁受均布反力作用。 按支承在柱边的双悬臂外伸梁受均布反力作用。 两块靴梁板承受的最大弯矩: 两块靴梁板承受的最大弯矩: M=qBl2/2 两块靴梁板承受的剪力: 两块靴梁板承受的剪力: V=qBl 抗 强 验 : 弯 度 算 M 6M σ= = 2 ≤f W t1 ha l e L a b1 R R q’ M 抗 强 验 : 剪 度 算 VS 1.5 V τ= = ≤ fv It1 t1ha 2011-12-9 柱脚 l l a1 t1 B t1 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 隔板的计算 厚度: 1/50隔板长 厚度:≥1/50隔板长 ≤靴梁厚 高度: 高度:连接焊缝长 隔板可视为简支于靴梁的简支 负荷范围如图。 梁,负荷范围如图。 q’ a1 V lw1 = 0.7hf 1 f fw 2011-12-9 h1 h = lw1 + 2hf (取 ) 整 1 柱脚 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 隔板截面验算: 隔板截面验算: q’ M 6M 抗弯: σ 抗弯: = = ≤f 2 W t2 h 1 VS 1.5 V 剪: 抗 : = 剪 τ = ≤ fv It2 t2h 1 式中: 式中: 2 ′a1 8 M =q a1 V = q′a1 2 t2 ≥ a1 50(取 ) 整 2011-12-9 柱脚 h1 §7.12.1 轴心受压柱的柱脚 靴梁及隔板与底板间的焊缝的计算 按正面角焊缝,承担全部轴力计算, 按正面角焊缝,承担全部轴力计算,焊脚尺寸由 构造确定。 构造确定。 N w ≤ ff σ= β f ×0.7hf ∑lw 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 压弯构件的柱脚 铰接柱脚: 铰接柱脚:同轴心受压柱的构造和计算 刚接柱脚: 作用, 刚接柱脚:N、M作用,构造要求传力明确便于制造 和安装 V? N、M较小 角钢增加刚度 2011-12-9 柱脚 M较大 槽钢加肋增加刚度 §7.12.2 压弯构件的柱脚 实腹柱 格构柱 N、M较大 要求增加底板抗弯能力(基础上应力分布均匀) 要求增加底板抗弯能力(基础上应力分布均匀) 采用带靴梁的构造方案,锚栓承担拉力。 采用带靴梁的构造方案,锚栓承担拉力。 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 压弯构件柱脚构造方案 平板式柱脚 N,M较小 较小, N,M较小,底板只承受不均匀压力 靴梁式柱脚 N,M较大 较大, N,M较大,底板出现拉区 分离式柱脚 格构柱肢间距很大 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 适用: 适用: 肢间距大的格构式柱 特点: 特点: 每个柱肢端部设置独立柱脚, 节 每个柱肢端部设置独立柱脚 , 省钢材制造简便 设计: 设计: 按可能最大压力, 按可能最大压力,按轴压柱脚设计 锚栓直径根据分肢可能最大拉力确定 底板设联系杆, 底板设联系杆,保证运输安装整体性 2011-12-9 柱脚 格构柱 联系杆增加刚度 §7.12.2 压弯构件的柱脚 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 平板式整体柱脚 底板平面尺寸:(7 86) 底板平面尺寸:(7-86) :( N 6M σ max = + 2 ≤ f cc BL BL B=b+2c b—柱截面宽 柱截面宽 悬伸部分c≤2 C—悬伸部分c≤2-3cm 悬伸部分c≤2f cc--混凝土抗压强度设计值 --混凝土抗压强度设计值 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 靴梁式整体柱脚 特点: 特点: 锚栓承担拉力 适用: 适用: 弯矩轴力较大, 弯矩轴力较大,要求底板抗弯能力 设计: 设计: 柱身与靴梁的连接焊缝 锚栓拉力及直径的确定 底板长度和厚度计算、 底板长度和厚度计算、靴梁强度 2011-12-9 柱脚 拉力T 拉力T由锚栓承受 §7.12.2 压弯构件的柱脚 算法1 87) 算法1求T和L(7-87) 锚栓拉力T较小时, 锚栓拉力T较小时,应力三角形分布 底面受压区的总压力R=N+T 底面受压区的总压力R=N+T M ? Ne T= (2 / 3) L0 + d / 2 e—N至受压区合力R的距离 N至受压区合力R L0—底板边缘至锚栓孔边缘的距离 底板边缘至锚栓孔边缘的距离 d—锚栓孔直径 锚栓孔直径 L由 σ max ≤ f cc 确定 2011-12-9 柱脚 拉力T 拉力T由锚栓承受 §7.12.2 压弯构件的柱脚 算法2 88) 算法2求T和L(7-88) 接触面假定为弹性体受力 M ? Ne T= x ①求N、M作用的最大压应力 求合力点R至截面形心轴距离e ②求合力点R至截面形心轴距离e 求合力点R至锚栓中心距离x ③求合力点R至锚栓中心距离x 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 T过大时,d≥60mm时, 过大时,d≥60mm时 采用如图受力分布 格构柱 2011-12-9 柱脚 §7.12.2 压弯构件的柱脚 压弯构件柱脚底板厚度 压弯构件柱脚底板厚度确定同轴心受 压弯构件柱脚底板厚度确定同轴心受 厚度 压柱, 压柱,各区格弯矩取该区格最大压应力 2011-12-9 柱脚 习题及思考题 试设计轴心受压柱的柱脚。