鋼結構輔導資料十一
主題：第四章軸心受力構件
第六節格構式軸心受壓構件
第七節柱頭和柱腳
學習時間： 2023年6月10日－6月16日
內容：這周我們將學習本門課的第四章軸心受力構件。
一、學習要求
第六節格構式軸心受壓構件
第七節柱頭和柱腳
本章的學習要求及需要掌握的重點內容如下：
1、格構式軸心受壓構件的整體穩定、綴材設計；
2、柱頭設計。
基本概念：區域性穩定，整體穩定。
知識點：格構式軸心受壓構件繞虛軸的換算長細比及其整體穩定驗算，綴條和綴板的受力、設計與計算；柱頭設計。
二、主要內容
格構式軸心受壓構件
1、截面形式
常用的格構式構件截面形式有兩個槽鋼或工字鋼組成的雙肢截面，此外，當軸心壓力較小但長度大時，還可以採用以鋼管、角鋼組成的三肢、四肢截面，如下圖所示。
2、組成
格構式構件是將肢件用綴材連成一體的一種構件。綴材分綴條和綴板兩種，故格構式構件以分為綴條式和綴板式兩種。綴條常採用單角鋼，用斜桿組成，一般斜桿與構件軸線成α(40～70)度夾角。
綴條也可由斜桿和橫桿組成。綴板常採用鋼板，必要時也可採用型鋼，每隔一定距離在每個綴板平面內設定乙個。
在格構式構件截面上，垂直於肢件腹板平面的主軸叫做實軸，圖中的x-x軸，垂直於綴材平面的主軸叫做虛軸，圖中的y-y軸。
當構件截面尺寸較大。構件較長時，為了節約鋼材，宜採用格構式。
3、格構式構件截面設計的特點
（1）通過調整肢件之間距離較易實現等穩定性。
（2）格構式構件繞實軸的穩定計算與實腹式構件相同，而繞虛軸的穩定性比具有同樣長細比的實腹式構件小，因為，格構式構件的肢件是每隔一定距離用綴材聯絡起來的，當構件繞虛軸屈曲時，引起的變形比實腹式構件大，此變形是由彎曲和剪力兩個因素共同引起的。對實腹式構件，由剪力產生的變形很小，一般可忽略不計，但對格構式構件繞虛軸屈曲時，就必須考慮剪力所產生的變形及其對臨界力的影響。設計計算時，採用加大的換算長細比來代替整個構件對虛軸的實際長細比，這樣就相當於降低了虛軸方向的臨界力，以達到等穩定性要求。
（3）格構式構件在整體失穩前存在著單肢失穩的可能，因此，應進行單肢穩定計算。
4、格構式軸心受壓構件截面設計的步驟
截面選擇
（1）按實軸的穩定條件選出肢件截面，並對實軸驗算。
具體方法與步驟和實腹式壓桿相同，但由假定的查值時，均按b類截面查得。
（2）按虛軸與實軸等穩定原則，確定兩分肢間距並驗算(對虛軸)。
對雙肢格構式柱，根據等到穩定條件，代入換算長細比的計算公式，可求得格構式構件所需要的的最大值。
綴條式：
綴板式：
綴材設計
（1）綴材的剪力
構件軸心受壓屈曲時將產生橫向剪力，對格構式構件，綴材需要承擔這個剪力，通常先估算出受壓件撓曲時產生的剪力然後計算由此剪力引起的綴材內力。
根據理論推導，鋼結構規範規定按下式計算最大剪力：
（2）綴條設計
①綴條的布置形式
一般採用單斜式；對受力很大的壓桿，可採用雙斜式；當兩肢件的間距較大時，也可在單斜式條之間設定橫綴條來減小單肢的計算的計算長度。
②綴條的計算
計算簡圖：平行弦桁架。
一側綴條受力：
斜綴條受力： (受拉或受壓)
斜綴條不應小於45×4或56×36×4，按軸心受壓構件進行驗算：
a.剛度：
b.整體穩定：
c.計算強度和連線時，設計強度應乘以折減係數0.85，以考慮偏心的影響。
橫綴條主要用來減少分肢的計算長度，其截面尺寸通常取與斜綴條相同規格。
③綴條與分肢的連線形式
綴條的軸線通常應與肢件軸線交於一點。斜綴條一般與肢件搭接，為了減小搭救接長度和增強受動力荷載的效能，宜採用三面圍焊。當肢件翼緣較窄時，綴條與肢件連線有兩種方法：
橫綴條搭接在與肢件翼緣邊對接焊的小節點板；綴條全部搭接在節點板上。由於構造原因，也允許綴條的軸線與槽鋼的外邊緣匯交。為使構件表面平整體，綴條也可放在構件內側，但內側焊接比較困難。
（3）綴板的設計
①綴板的尺寸與間距
綴板的尺寸
綴板間距
②綴板計算
計算簡圖：多層剛架，並近似取反彎點在各段分肢和綴板中點。
③綴板與分肢的連線形式
綴板與肢搭接長度一般為20～30mm可以採用三面圍焊，或只用綴板端部縱向焊縫。
（4）構造要求：為了保證格式構件在運輸和安裝過程中具有必要的截面剛度，避免截面歪扭，規定格構式構件的橫隔間距不得大於截面較大寬度的9倍，且不大於8m，在受有較大水平力或運輸單元的端部均設定橫隔，橫隔可用鋼板或交叉角鋼組成。
柱頭和柱腳
柱頭：1、柱頭的定義及作用
柱頭是指柱的頂部與梁（或桁架）連線的部分。其作用是將梁等上部結構的荷載傳到柱身。
2、柱頭的連線方式
按梁安放在柱頭的位置不同，柱頭有兩種連線方式，一種是將梁直接放在柱頂上的頂面連線，另一種是將梁連於柱側面的側面連線。軸心受壓柱與梁的連線主要採用鉸接。
3、連線構造設計的原則
傳力明確、可靠、簡捷,便於製造和安裝，經濟合理。
4、頂面連線
典型的實腹式柱的柱頭構造
（1）構造
首先應在柱頂設一塊柱頂板來安放梁。樑端支承加勁肋採用突緣板形式，其底部刨平（或銑平），與柱頂板直接頂緊，梁的全部壓力通過突緣板壓在柱頂板的中部，即使相鄰兩梁的支座反力不相等，對柱所引起的偏心也很小，柱仍接近軸心受壓狀態。柱頂板厚度一般採用16～25mm，平面尺寸一般向柱四周外伸20～30mm，以便與柱焊接。
其次，當梁支座反力較大時，為了提高頂板的抗彎剛度，可在頂板上面加焊一塊墊板，在頂板的下面設加勁肋。這樣，柱頂板本身不需要太厚，一般≥14mm即可。
為了便於製造和安裝，兩相鄰梁相接處預留10～20mm間隙，待安裝就位後，在靠近梁下翼緣處的梁支座加勁肋間填以鋼板，並用螺栓連線。這樣即可使梁相互連線，又可避免梁彎曲時由於彈性約束面產生支座彎矩。
（2）計算
假設梁傳來的全部壓力為n，則其傳力途徑為：
n墊板頂板加勁肋腹板。
其中墊板與頂板、頂板與柱身均採用構造焊縫連線。
典型的格構式柱的柱頭構造
簡單的柱頭構造
5、側面連線
梁與實腹式柱和格構式柱的連線構造
首先，在柱翼緣板上焊以承托，承托可用厚鋼板或厚角鋼做成，承托板厚度應比樑端支座加勁肋厚度大5～10mm，一般為25～40mm。承托板的頂面應刨平。
其次，將相鄰樑端支座加勁肋的突緣部分刨平（或銑平），安放在焊於柱翼緣板的承托上，並與之頂緊。
最後，固定梁的位置。樑端支座加勁肋可直接用c級螺栓與柱翼緣相連(螺栓數目按構造要求布置)，也可在樑端支座加勁肋與柱翼緣間留5～10mm的空隙，安裝時放填板並設定構螺栓，以固定梁的位置。
為加強柱頭的剛度，實腹式柱和柱頭一段變成實腹式的格構式柱應設定柱頂板(起橫隔作用)，必要時還應該加勁肋和綴板。
柱腳1、柱腳的定義及作用
柱下端與基礎相連的部分稱為柱腳。柱腳的作用是將柱身所受的力傳遞和分布到基礎，並將柱固定於基礎。基礎一般由混凝土或鋼筋混凝土做成，其強度遠低於鋼材的，所以必須將柱身的底端擴大以增加與基礎接觸的面積，使接觸面積上承壓力小於或等於基礎的抗壓強度設計值。
這就要求柱腳有一定的寬度和長度，也應有一定的剛度和強度，使柱身壓力比較均勻地傳到基礎。
2、柱腳設計的原則
傳力明確，可靠、簡捷、構造簡單、節約材料、施工方便，並符合計算簡圖。
3、柱腳型式和構造
軸心受壓柱的柱腳常設計成鉸接，鉸接柱腳常採用平板式柱腳。實際工程中很少採用真正自由轉動的球形、軸形、弧形、等型式的鉸。
僅有底板的柱腳。對軸力很小的柱，可將柱身底端切割平齊，直接與底板焊接。柱身所受的力通過焊縫傳給底板，由底板分布到基礎。
底板厚度一般為20～40mm，用兩個錨栓固定在基礎上，錨栓位置放在柱中軸線上，一般在短軸線底板兩側。錨栓直徑按構造採用20～30mm，預埋於混凝土基礎內。這種柱腳構造最簡單；但只適用於軸力很小的柱，否則底板和焊縫都將太厚，因為底板在各方向均為懸臂。
有靴梁的柱腳。靴梁是聯絡柱身和底板的橫向分布結構，可用豎板或槽鋼做成，在柱的兩側沿柱腳的較長方向各設定乙個。柱身軸力先通過與靴梁連線的豎向焊縫傳給靴梁，再從靴梁通過其與底板連線的水平焊縫傳給底板，然後從底板傳到基礎。
連線柱身與底板的水平焊縫由於質量不易保證(因板間位置不准，常有一定空隙)，計算時通常不考慮其受力。靴梁實際上是乙個下邊受有向上均布荷載的單跨雙伸臂梁。
有靴梁帶隔板的柱腳。當靴樑外伸較長時，除靴樑外可加設隔板，將底板的區格劃小，使底板承受的彎矩減小，厚度不致過大。隔板同時可提高靴梁的側向剛度。
有靴梁和肋板的柱腳。這種柱腳採用雙向分布結構，使柱身軸力向四個方向擴散，基礎壓力分布得更均勻。這種柱腳底板可做成正方形或接近正方形。
通常情況是在柱的乙個方向採用靴梁，另乙個方向設肋板。當軸心力較小時也可在兩個方向都採用肋板而不設靴梁，肋板的受力如同受均布荷載的倒懸臂梁，彎矩和剪力在支承焊縫處最大，向邊端衰減較快，所以肋板外形常做成接近三角形。這種柱腳的錨栓布置和前面一樣。
三、典型習題
（一）單選題
1、格構式軸心受壓柱綴材的計算內力隨（ ）的變化而變化。
a．綴材的橫截面積
b．綴材的種類
c．柱的橫截面面積
d．柱的計算長度
答案：c
2、規定綴條的單肢長細比（是柱兩主軸方向最大長細比），是為了（ ）。
a．使兩單肢能共同工作
b．構造要求
c．保證整個柱的穩定
d．避免單肢先於整個柱失穩
答案：d
3、軸心受壓構件柱腳底板的面積主要取決於（ ）。
a．底板的抗彎剛度
b．柱子的截面積
c．基礎材料的強度等級
d．底板的厚度
答案：c
（二）簡答題
軸心受壓柱的柱頭一般採用什麼形式？柱頭的構造應滿足什麼原則？
答：柱頭（梁與柱的交接點），可分為鉸接與剛接兩種形式。軸心受壓柱與梁的連線應採用鉸接，因為如採用剛接將對柱產生彎矩，使柱成為壓彎構件。
柱頭構造的原則是：傳力可靠並符合柱身計算簡圖所作的假定，構造簡單，便於安裝做到設計可靠，省料和省工。
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