《钢柱脚节点》PPT课件.ppt

钢柱脚节点分析及计算,1.柱脚概念、分类、适用范围、设计原则和构造要求 2.常用平板式铰接柱脚构造、传力方式及计算 3.常用平板式刚接柱脚（加劲肋式）构造、传力方式及计算 4.常用平板式刚接柱脚（靴梁式）构造、传力方式及计算 5.埋入式、外包式刚接柱脚简单介绍,概念：柱脚将柱身所受的力传递和分布到基础，并将柱固定于基础的节点部件。分类：根据受力特点的不同分为铰接和刚接。一般情况下，轴心受压柱仅承受压力和剪力，采用铰接柱脚；偏心受压柱承受压力、剪力和弯矩，采用刚接柱脚。柱脚根据构造形式的不同可分为整体式柱脚和分离式柱脚铰接柱脚多为露出平板式柱脚（轴承式柱脚因不易加工制作已不再用）刚接柱脚根据与基础接触类型划分为露出式、埋入式、包脚式柱脚,1.概念及分类,注：整体式与分离式柱脚主要是针对格构式钢柱脚而言的（分肢距离较大，采用整体式柱脚费钢材）,常见露出式铰、刚接柱脚：,埋入式刚性柱脚：,外包式柱脚：,适用范围：轻型门式刚架多采用平板式铰接柱脚，当适用于工业厂房且设有桥式吊车或对钢柱侧向刚度要求比较大时应采用刚接柱脚；多高层建筑无地下室时，为保障结构的整体侧向刚度，柱脚应采用刚接，有地下室时柱脚可采用铰接，当有两层以上的地下室时，柱脚宜铰接。设计原则：传力明确、经济合理、有足够的刚度且构造力求简单（备注：在实际工程应用中完全的刚接和铰接是难以做到的）,柱脚构造设计要求：,1.柱脚锚栓应采用Q235钢或Q345钢制作。锚栓的锚固长度应符合国家标准建筑地基基础设计规范GB 50007的规定，锚栓应设置弯钩或锚板（39），其锚固长度不宜小于25d（d为锚栓直径）且直径不宜小于24mm，宜应采用双螺母，为防止螺母松动，螺母与锚栓垫板尚应进行点焊。柱脚底板锚栓孔径宜取锚栓直径加510mm；锚栓垫板孔径取锚栓直径加2mm。垫板厚度通常与底板厚度一致。2.计算有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力时，应计入柱间支撑的最大竖向分力，且不考虑活荷载（或雪荷载）。屋面积灰荷载和附加荷载的影响，恒荷载分项系数取1.0。,3.柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，此水平剪力可由底板和混凝土基础间的摩擦力（摩擦系数取0.4）或设置抗剪键承受（抗剪键可用方钢、短T字钢、槽钢或H型钢制作）计算柱脚锚栓的受拉承载力时应采用螺纹处的有效截面面积。,2.常用平板式铰接柱脚构造、传力方式及计算,柱中压力由焊缝传递至底板再传给基础只适用于小型柱（经验数据：用于轻型门式刚架时，跨度小于等于18m时2M24；小于等于27m时4M24;小于等于30m时4M30,铰接柱脚锚栓布置从安全角度考虑，中柱两个锚栓可改为4个，间距不能太大。具体布置应根据柱端尺寸及底板尺寸和锚栓对柱脚自由度的限制情况）,（1）底板尺寸的计算 N 柱的轴心压力；基础材料的局部承压强度设计值；A0锚栓孔的面积；（2）底板厚度的计算M1=qa(四边支撑区格）q作用于底板面积上的压应力，q=N/(LB-AO)a四边支撑区格的短边长度系数，根据区格长宽比b/a按下表确定,M2=qa（三边支撑区格和两相邻边支撑区格）a对三边支撑区格为自由边长度，对两相邻支承区格为对角线长度 系数，根据b/a按表2取值，b对三边支承区格为垂直于自由边的宽度，对两相邻边支承区格为内角顶点至对角线的垂直距离 q同M1的规定当三边支承区格的b/a0.3时，按悬臂长度为b的悬臂板计算,M3=0.5qc（一边支承区格即悬臂板）c悬臂长度q=N/An,(3)H型（或工字型）钢柱与底板的连接焊缝计算 1）当柱脚无加劲肋，且采用周边角焊缝时，连接焊缝可按下列公式计算：式中 N钢柱的轴心压力；角焊缝的强度设计值；V钢柱的水平剪力；钢柱截面四周角焊缝的总有效截面面积；正截面角焊缝的强度设计值增大系数；钢柱腹板处的角焊缝有效截面面积;,2）当柱脚无加劲肋，且柱翼缘采用完全焊透的对接焊缝，腹板采用角焊缝时，连接焊缝可按下列公式计算：,式中 Af钢柱单侧翼缘的截面面积3）当柱脚无加劲肋，且采用周边完全焊透的坡口对接焊缝时，可视焊缝与柱截面是等强度的，不必进行焊缝强度的验算。4）对有加劲肋的柱脚底板与柱下端的连接焊缝，可按无加劲肋进行计算。当加劲肋与钢柱和底板的连接焊缝质量有可靠保证时，也可对底板与柱下端和加劲肋的连接焊缝截面性能进行计算。,(4)锚栓受拉力分析及计算,（5）加劲肋板的计算,计算可近似按照下式计算，连接焊缝尚应满足构造要求。,Vi作用剪力，按下列情况采用,1.对一般加劲肋，应取其底板下的混凝土基础的分布反力按悬臂支承得到的剪力，即 Vi=aRi lRiRi2.对于锚栓支承加劲肋或支承托板加劲肋，应取其承受底板下混凝土基础分布反力按悬臂支承得到的剪力和锚栓拉力所产生的剪力两者中的较大值。Vi=Nta,式中 aRi 加劲肋所承受的底板区格宽度 lRi 加劲肋所承受的底板区格长度 hRi 加劲肋高度 tRi 加劲肋厚度 he 连接角焊缝有效厚度 lw 角焊缝有效长度,3.加劲肋式刚接柱脚,常见类型：H型钢柱刚性露出式柱脚、箱型截面柱刚接露出式柱脚。见下图示。,露出式刚接柱脚设计注意事项,1.要求抗震设防的结构，柱翼缘与底板间采用完全熔透的剖口对接焊缝连接，柱腹板及肋板与底板连接宜采用双面角焊缝连接，验算焊缝时可不考虑加劲肋影响。2.未要求抗震设防的结构，柱底宜磨平顶紧，柱翼缘与底板间可采用半熔透的剖口对接焊缝连接，柱腹板及加劲肋与底板仍采用双面角焊缝连接（半熔透的剖口对接焊缝连接按角焊缝计算。）3.柱脚底板与基础间不能承受拉应力，在柱弯矩作用下，当底板压应力出现负值时，锚栓不仅作为安装过程中的固定之用，还需承受拉应力。4.锚栓数量和直径需根据受拉侧总拉力确定且与钢柱截面以及安装要求相协调。锚栓数目在每侧不应小于两个，直径在3076mm范围采用。5.柱脚底板和支撑托座上的锚栓孔径一般取锚栓外径的1.5倍，垫板孔径取锚栓直径加2mm，厚度一般为锚栓孔径的0.40.5倍。6.锚栓支承加劲肋和锚栓支承托板加劲肋，取其承受底板下混凝土基础的分布反力按悬臂支承得到的剪力，和锚栓拉力所产生的剪力两者中的较大值，进行加劲肋及焊缝的设计。7.当底板面积较大时，为了便于施工底板下的二次浇灌层，可在底板上开设直径为100mm的排气孔，排气孔之间的距离可采用600800mm。8.当荷载很大时，为了减小底板上基础的分布反力和底板厚度，采用增设加劲肋和锚栓支承托座补强措施，以扩展底板的长度和宽度。底板的长度和宽度扩展的外伸尺寸（相对于钢柱截面高度和宽度的边端距离），每侧不宜超过底板厚度的18 235/fy倍。,露出式刚接柱脚计算,1.底板尺寸确定：柱脚底板尺寸应根据底板上设置的加劲肋、靴梁以及隔板等补强板件和锚栓间距的构造要求来确定，公式：B=b+2b1+2b2L=h+2l1+2l2,式中:b、h钢柱底部的宽度和度 b1、l1钢柱底板在宽度和长度 方向上，补强板件或锚栓支承办托座板件的尺寸。按8-16表确定。b2、l2钢柱底板在宽度和 长度方向上的边距，一般取1030mm。,按上式计算出的底板尺寸还需满足下式要求。N(1+6e/L)/LB Cfc e L/6 c=2N/3B(0.5L-e)Cfc L/6 e(L/6+lt/3)2N(0.5L+e-l1)/Bxn(L-l1-xn/3)Cfc e(L/6+lt/3)e=M/N偏心距，如图8-28所示 M、N钢柱柱端轴心压力和弯矩 lt 受拉侧底板边缘至受拉螺栓中心距离 c钢柱柱脚底板下的混凝土所受最大轴心应力,2.柱脚底板厚度的计算 区格划分及厚度公式和系数取值与上一小节铰接柱脚底板厚度计算一致，只要将压应力q替换成c即可,fc柱脚底板下的混凝土轴心抗压强度设计值 c底板下混凝土局部承压时的轴心抗压强度设计值提高系数，按混凝土设计规范规定取值 xn底板受压区的长度，按式xn3+3(e-0.5L)xn3-6acAet(e+0.5L-lt)(L-lt-xn)/B=0计算。ac 底板钢材的弹性模量与底板下混凝土的弹性模量比值 Aet 受拉侧锚栓的总有效面积,3.受拉侧锚栓计算,Aet=Ta/ftb ftb_锚栓抗拉强度设计值 Ta_受拉侧锚栓总拉力当e（L/6+lt/3）时取0，反之，等于N（e-0.5L+xn/3）/L-lt-xn/3）式中符号含义同上。锚栓同样不参与承受柱底水平剪力。而由柱脚底板与下部混凝土或水泥砂浆之间的摩擦力来抵抗。可按下式计算：V Vfb=sc（N+Ta）sc 为柱脚底板与其下部混凝土或水泥砂浆之间的摩擦系数，一般取0.4,4.柱脚水平抗剪验算,式中 M0 底板位于跨中或支座处的最大弯矩 v0 底板位于支座处的剪力和锚栓拉力中的较大值 f 钢材的抗拉（抗压）强度设计值 fv 钢材抗剪强度设计值 f 正截面焊缝的强度设计值增大系数 ffw 焊缝强度设计值,4.靴梁式刚接柱脚基本构造和传力方式,隔板,肋板,底板,靴梁,锚栓,平板式铰接柱脚,露出式平板铰接柱脚计算及理解底板的计算平面尺寸基础抗压强度（钢材可视为各向同性材料，基础对底板的压应力可近似均匀分布）底板厚度板抗弯强度（将柱脚与基础倒视，由靴梁、肋板、隔板和柱端面划分的不同区格按照不同的边界支撑条件求出最大弯矩来确定底板厚度）靴梁的计算（按支承于柱边的双悬臂梁计算）高度焊缝长度（由连接柱所需要的焊缝长度决定，但每条焊缝长度不应超出角焊缝焊角尺寸hf的60倍，hf也不应大于被连接较薄板厚的1.2倍）厚度构造、抗弯剪强度（厚度宜与被连接柱翼缘厚度大致相同）隔板的计算（按支承于靴梁上的简支梁计算）厚度刚度、强度（厚度不应小于隔板长度的1/50，可比靴梁厚度略小）高度焊缝（焊缝要求决定高度，一般为靴梁高度的2/3且不宜大于650mm）注：隔板内侧焊缝不易施焊，计算时不考虑受力肋板的计算（按悬臂梁计算强度与靴梁间的焊缝）,靴梁的计算,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（4条）长度确定。,hf1.2t,t 被连接较薄板厚,按支承在柱边的双悬臂外伸梁受均布反力作用。,靴梁抗弯剪验算,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：V=qBl,厚度：1/50隔板长 t 靴梁厚高度：连接焊缝长,隔板可视为简支于靴梁的简支梁，负荷范围如图。,隔板的计算,隔板截面验算：,式中：,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，焊脚尺寸由构造确定。,加劲肋计算（前面已算出）,埋入式柱脚,1、概念2、构造要求3、计算假定,概念,埋入式刚接柱脚先将钢柱按要求固定在钢筋混凝土基础或基础梁中，然后浇灌混凝土，将柱脚直接埋入钢筋混凝土基础或基础梁中形成的刚性固定基础。,其埋入办法：一是预先将钢柱脚按要求组装固定在设计标高上，然后浇灌基础或基础梁的混凝土；另一种是预先按要求浇灌基础或基础梁的混凝土，在浇灌混凝土时，按要求留出安装钢柱脚用的插入杯口，待安装好钢柱脚后，再用混凝土强度等级比基础高一级的混凝土灌实。通常情况下，前一种方法对提高和确保钢柱脚和钢筋混凝土基础或基础梁的组合效应和整体刚度有利，所以在工程实际中多被采用。,构造要求,在埋入式柱脚中，钢柱埋入基础或基础梁的深度Sd，一般可在以下范围内采用。1.对轻型工字型柱：Sd2hc2.对大型截面H型钢柱和箱型截面柱和圆管形截面柱：Sd3hc（hc钢柱的截面高度或管径),3.在埋入式柱脚中，钢柱的埋入深度是影响柱脚的固定度、承载力和变形能力的重要因素，而且有时对于中柱、边柱和角柱，其埋入深度也不尽相同，这就需要选择易于进行钢筋混凝土补强的埋入深度来处置。4.为防止钢柱的局部压屈和局部变形，在钢柱向钢筋混凝土基础或基础梁传递水平力处压应力最大值的附近，设置水平加劲肋是一个有效的补强措施；对箱型截面柱和圆管形截面柱除设置水平加劲的环形横隔外，在箱内和管内浇灌混凝土也将有良好的效果。5.为防止基础或基础梁中混凝土早起的压坏和剪坏，应配置补强钢筋，合理的确定钢柱周边的钢筋混凝土保护层厚度及其配筋是很重要的。6.在中柱、边柱和角柱中，其钢筋混凝土保护层厚度有时是不尽一致，特别在边柱和角柱的柱脚中，对没有设置基础梁的一侧，钢柱翼缘面处的钢筋混凝土保护层厚度；中柱不得小于180mm，边柱、角柱的外侧不宜小于250mm。,7.配置在钢柱埋入部分中的钢筋，除基础或基础梁应有的配筋外，尚应在钢柱周边增设补强垂直纵向主筋、架立筋、箍筋、顶部加强钢筋、基础梁主筋在钢柱埋入部分水平方向弯折处的加强钢筋。8.在整体框架的内力分析时，对柱脚部分的刚度和刚度区域应留有一定的富余量，刚度区域的高度应比基础或基础梁混凝土顶面高出1.2倍的钢柱截面高度。9.埋入式柱脚钢柱脚底板的长度、宽度和厚度，通常是根据柱的轴心压力确定，同时应满足构造上的要求。一般钢柱脚底板的厚度不宜小于钢柱的较厚板件厚度，且不宜小于20mm。10.根据埋入式柱脚内力的传递特点，钢柱脚的锚栓一般仅作安装过程固定之用。因此，锚栓的直径，通常是根据其与钢柱板件厚度和底板厚度相协调的原则来确定，一般可在2042mm的范围内采用，且不宜小于20mm。11.铰接柱脚，锚栓的数目常采用2个或4个，同时应与钢柱的截面形式、截面大小，以及安装要求相协调。12.锚栓应设置弯钩，或锚板，或锚梁，其锚固长度不宜小于25d（d锚栓直径）。13.柱脚底板的锚栓孔径，宜取锚栓直径加510mm；锚栓垫板的锚栓孔径，取锚栓直径加2mm。垫板的厚度取与柱脚底板厚度相同。,14.在柱安装校正完毕后，应将锚栓垫板与底板焊牢，其焊脚尺寸不宜小于10mm；锚栓应采用双螺母紧固；为防止螺母松动，螺母与锚栓垫板宜进行点焊。15.在埋设锚栓时，一般宜采用锚栓固定架，以确保锚栓位置的正确。16.当轴心压力较大，有必要设置加劲肋时，加劲肋的尺寸、厚度及其与底板和钢柱板件的连接焊缝，按有关要求确定。17.焊于钢柱埋入部分的抗剪圆柱头栓钉，按有关要求确定。但对H型截面柱强轴左右两侧的翼缘、箱型截面柱两轴的每侧、圆管型截面柱两轴的每侧（90扇面），其圆柱头栓钉数目不宜小于816，栓钉杆长度可在4d6d的范围内采用（d栓钉直径）；圆柱头栓钉直径可在13，16，19，22中采用，通常用16和19.,计算假定,在进行柱脚的细部设计计算时，通常采用以下的假定：（1）轴心压力N由埋入的钢柱的柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；（2）弯矩M的传递有两种方式：a、全部弯矩M由焊于埋入的钢柱翼缘上的抗剪圆柱头栓钉传给钢筋混凝土基础或基础梁，在实际工程设计中，多采用这种传递方式；b、全部弯矩M由埋入的钢柱翼缘与基础或基础梁的混凝土承压力来传递；（3）柱脚顶部的水平剪力V由埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土承压力来传递；（4）不考虑埋入的钢柱的翼缘与基础或基础梁混凝土在承压应力状态下，由于钢柱翼缘与混凝土摩擦产生的抵抗力；（5）不考虑埋入的钢柱翼缘与基础或基础梁混凝土的粘结作用（6）在确定埋入的钢柱周边对称配置的垂直纵向主筋的面积时，不考虑由钢柱承担的弯矩M。,包脚式柱脚,1、概念2、构造要求3、计算假定,概念,刚性固定外包式柱脚，就是按一定的要求将钢柱脚采用钢筋混凝土包起来。包脚式柱脚的设定位置，有在楼、地面之上的，也有在楼、地面之下的，这应视具体情况而定。,构造要求,1.一般构造要求：在外包式柱脚中，钢筋混凝土的包脚高度H，一般可在以下范围内采用。2.对轻型工字型截面柱：H2hc；3.对大型截面H型钢柱、箱型截面柱和圆管型截面柱：H3hc（hc钢柱的截面高度或管径）4.外包式柱脚的钢柱脚底板长度、宽度和厚度，可根据柱轴心压力确定；钢柱脚底板的厚度一般不宜小于20mm。5.钢柱脚锚栓除锚固长度应按以下要求确定外，其余的构造要求同上。锚栓的锚固长度：6.当不设锚板或锚梁时，la30d（不含弯钩）；当设有锚板或弯钩时，la25d（d锚栓直径）7.焊于包脚范围内钢柱的抗剪圆柱头栓钉的配置按要求确定。8.包脚处钢柱翼缘外侧面的钢筋混凝土保护层厚度，一般不应小于18mm，同时应满足配筋的构造要求。,计算假定,在进行外包式柱脚的细部设计计算时，通常采用以下的假定：（1）轴心压力N由钢柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；（2）弯矩M由焊于钢柱翼缘的抗剪圆柱头栓钉传给包脚部分的钢筋混凝土，并通过包脚部分的钢筋混凝土传给钢筋混凝土基础或基础梁；（3）包脚处顶部的水平剪力V由包脚混凝土和水平箍筋共同承担；（4）在确定包脚部分钢柱周边的垂直纵向主筋的配置时，不考虑钢柱承担弯矩M。,