第4章轴心受力构件4(2011)

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第 四 章

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§4-5

柱头和柱脚

为了使柱子实现轴心受压，并安全将荷载传至基础， 必须合理构造柱头、柱脚。 设计原则是：传力明确、过程简洁、经济合理、 安全可靠，并具有足够的刚度且构造又不复杂。

一、柱头(梁与柱的连接-铰接) (一)连接构造

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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，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。

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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理想刚性连接弯矩的 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 设计部门很难办到，因此目前较少采用半刚性连接节点。

过试验或其他方法提供较为准确的节点弯矩——转角关系。

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4.3.1 梁与柱的铰接连接1.梁支承于柱顶的铰接连接

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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 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8.3.1(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。

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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。

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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，可采用如图8.3.2(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。

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当梁的支座反力较大时，可采用如图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。

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(二)、传力途径传力路线： 梁焊缝

突缘

垫板

柱顶板填板

焊缝

加劲肋构造螺栓

焊缝

柱身

梁

突缘

梁

填板

柱顶板

柱

垫板 加劲肋

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(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

15-20mm

t≥14mm N/2l/2

l

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。

15-20mm

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8.3.2 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 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8.3.3是梁 与柱的刚性连接构造图。

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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=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8.3.3(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。

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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。

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§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，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。

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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 在基础反力作用下，底板的最大弯矩值变小了。

当于这些小区格板块的边界支座，改变了底板的支承条件。

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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)是格构柱仅采用靴梁的柱脚型式。 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。

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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。

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靴梁 隔板 底板 L

a

b1

N An l fc

(4 63)

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。

a1 t1 B t1

2.柱脚的计算 (1)底板的面积 假设基础与底板间的 压应力均匀分布。

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a1— 构件截面高度； t1— 靴梁厚度一般为10~14mm; L c— 悬臂长度，c=3~4倍螺栓直 径d,d=20~24mm,则 L 可求。

a

b1

(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)

q c2 M1 2

(4 64)

q N An

a1 t1 B t1

B a1 2t 1 2c

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