第六章第五节钢结构构件的连接构造

gaocen · 发表于 2013-2-20 17:21:27

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-21 15:39 编辑

以上介绍了钢结构的特点和应用、材料及其性能、两大基本连接和三大基本构件的计算方法，以下介绍钢构件间的常用连接构造。

构件间连接构造的基本原则是：传力均匀、直接、可靠，符合构件内力分析时采用的计算简图；构造简单，便于制造和安装；做到设计可靠、省料和省工。

连接构造主要包括次梁与主梁的连接、梁与柱的连接（柱头）和柱与基础的连接（柱脚）。按连接的传力和变形情况，工程实际中常用的构件间连接可分铰接和刚接两大类。铰接连接主要传递竖向力，如次梁与主梁的铰接连接主要传递次梁的竖向反力，梁与柱的铰接连接主要传递梁端反力，柱与基础的铰接连接主要传递柱身传来的轴心压力。刚接连接则除了传递竖向力外，还应同时传递连接处的弯矩。连接构造的形式多种多样，下面列举几种常用的连接构造。

一、次梁与主梁的连接

1 ．铰接连接

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图 6-42 示最常用的一种连接形式，次梁连于主梁的横向加劲肋上。图中主梁左侧所示为用普通 C 级螺栓连接时的构造；右侧所示为当次梁荷载较大而改用角焊缝连接时的构造，此时图上的螺栓为安装定位和临时支承需用，传力计算中不预计入。当次梁与主梁为如图 6-42 所示的平位连接时，次梁梁端上部要割去部分上翼缘和腹板，梁端下部要割去半个翼缘板。为了考虑连接并非完全简支，宜按次梁支座反力 V 的 1 . 20~1 . 30 倍，即按（ 1 . 20 ~l , 30 ) V 计算所需连接螺栓数目或所需焊缝尺寸。螺栓的承载力设计值取按孔壁承压和栓杆单剪求得的较小值。角焊缝的强度设计值中应考虑因高空立焊焊接条件较差而采用折减系数 0 . 90 。由于次梁端部需切去一部分截面，当用螺栓连接时还应按矩形净截面的最大剪应力验算次梁端部的抗剪强度，即应满足：

式中 Awn― 扣除螺栓孔截面后的次梁腹板净截面面积。

对图 6 -42 左边的连接，还应验算次梁腹板的块状剪拉破坏。

图 6 -43 示用连接件（连接钢板或连接角钢）的次梁与主梁简单连接。此时若楼面板铺设条件容许次梁采用低位连接时，可避免在次梁端部进行切割，如图 6 -43 ( a ）所示。当次梁用平位连接时（图 6 -43b ) ，也只需对次梁端部的上部进行切割。图 6 -43 ( a ）和（ b ）所示均采用两只连接角钢作为连接件，在工厂制造时，将连接角钢用螺栓或焊缝与次梁相连（次梁端部应缩进连接角钢外伸边表面 10mm )，在安装时才用螺栓或焊缝与主梁腹板相连。从节省材料和便于施焊考虑，工厂连接宜用焊缝，工地连接宜用螺栓。连接件也可改用一块竖向短钢板，此时应将连接钢板在工厂中焊接于主梁腹板，而在安装时将次梁用螺栓与连接钢板相连，如图 6 -43 ( c ）所示。

2 ．刚接连接

图 6 -44 为次梁与主梁的刚接连接构造示例，连接需传递次梁端部的竖向反力 V 和弯矩 M 。可将何化作一力偶 H· h , h 为次梁上、下翼缘形心间的距离。次梁上翼缘中的拉力 H 由盖板承受，根据 H 力的大小确定所需盖板的截面积，盖板与每一次梁用三面围焊的工地角焊缝连接，按 H 力可算出所需焊缝的 hf 和 lw。主梁两边的盖板平面为鱼尾形，故称为鱼尾板，它可使焊缝受力均匀和处于俯焊的焊接位置。主梁腹板两侧于工厂制造时即各焊接一承托（短牛腿），承托的水平板宽度应大于次梁的翼缘板，次梁置于承托上面，用工地角焊缝（俯焊）相连，此工地角焊缝应承受次梁下翼缘板传来的水平压力 H 。此外也可采用对接焊缝与主梁腹板相连。竖向反力 V 的作用点位置可假设处于自承托水平板外边缘算起的 1 / 3 支承长度处。承托可采用由两块钢板组成的 T 形截面，荷载小时也可采用角钢。图中凡工厂焊缝均未示出，使工地焊缝更显清晰。

二、梁与柱的连接——柱头

1 ．铰接连接

( 1 ）梁支承于柱顶时

图 6 - 45 所示为梁支承于柱顶的典型柱头构造。梁端焊接一端板（亦即梁的支承加劲肋），端板底部伸出梁的下翼缘不超过端板厚度的 2 倍。依靠端板底部刨平顶紧于柱的顶板而将梁的端部反力传给柱头。左右两梁端板间用普通螺栓相连并在其间设填板，以调整梁在加工制造中跨度方向的长度偏差。梁的下翼缘板与柱顶板间用普通螺栓相连以固定梁的位置。这种支承方式基本上使柱中心受压，可用于轴压柱的柱头构造设计。柱顶顶板用以承受由梁传下来的压力并均匀传递给整个柱截面，因而顶板必须具有一定的刚度，通常取厚度：t=20~30mrn ，不需计算。为了不使柱顶部腹板受力过分集中，在梁的端板下的柱腹板处可设置加劲肋。顶板与柱顶用角焊缝连接，并假定由此角焊缝传递全部荷载，焊脚尺寸通过计算确定。当柱腹板处设有加劲肋时，柱顶顶板焊缝的这种计算偏于保守，因这时大部分荷载将由加劲肋传递。加劲肋的连接需经计算。加劲肋顶部如刨平顶紧于柱顶板的底面，此时与顶板的焊缝按构造设置，否则其与顶板的连接角焊缝应按传力需要计算。加劲肋与柱腹板的竖向角焊缝连接要按同时传递剪力和弯矩计算，剪力为由加劲肋顶部传下之力，此力作用于每边加劲肋顶部的中点，对与柱腹板相连的竖向角焊缝有偏心而产生弯矩，参阅图 6-45 ( a ）右图。

图 6-5 ( b ）示一格构式柱的柱头构造，要注意的是：为了保证格构式柱两分肢受力均匀，不论是缀条柱或缀板柱，在柱顶处应设置端缀板，并在两分肢的腹板处设竖向隔板。

当梁传给柱身的压力较大时，也可采用如图 6 -45 （c）所示构造，梁端加劲肋对准柱的翼缘板，使梁的强大端部反力通过梁端加劲肋直接传给柱的翼缘，梁底可设或不设狭长垫板。但需注意，当两梁传给柱的荷载不对称时（如左跨梁有可变荷载，右跨无可变荷载），采用这种形式柱头的柱身除按轴心受压构件计算外，还应按压弯构件（偏心受压）进行验算。

( 2 ）梁支承于柱顶的两侧时

侧面连接时最常用的柱头构造如图 6-46 所示。梁端设端板，端板底面刨平顶紧支承于早已焊在柱身的托板上，托板一般采用厚钢板（厚 20-30mm ）或大号角钢。要按所传压力验算端板的承压面积和托板与柱身的角焊缝连接，在后者的计算中，还应把反力适当加大（如加大 25 ％~30 % ）以考虑反力对焊缝的偏心作用。梁通过其端板还用普通粗制螺栓与柱翼缘板相连，螺栓连接不需计算，纯为固定梁的位置按构造设置，因此不能传递弯矩；梁只能是按简支考虑。这种柱头传力明确、构造简单、便于安装，但对梁的加工制造要求较严，梁的长度与两柱对应翼缘板间的距离不能有较大的偏差。梁端板底面要与焊在柱身的托板顶面有良好的接触。这都要求加工具有一定的精度。此外，柱两侧梁的反力不对称时，对柱身还应按压弯构件进行验算。

2 ．刚接连接

图 6-47 ( a ）~（c）为常用的梁柱刚性连接示例。图 6 -47 ( a ）所示为全焊接节点。梁的翼缘板用坡口对接焊缝与柱相连，为了方便梁翼缘板处坡口焊缝的施焊和设置垫板，梁腹板上、下端各开 r =30 ~35mm 的半圆孔。梁腹板采用两条角焊缝与柱翼缘板相连接。这种全焊接节点省工省料，但需要工地高空施焊，对焊接技术要求较高。图 6 -47 ( b ）所示是对图 6-47 ( a ）节点的改进，在工厂制造时柱上焊一长度为 a 的悬臂短梁段，在高空用高强度螺栓摩擦型连接与梁的中央段拼接，避免了高空施焊和便于梁的对中就位。此外，高强度螺栓拼接所在截面的内力（弯矩和剪力）均较梁端者为小，因而拼接所用螺栓数量较在梁端用高强度螺栓连接时为少。图 6 -47 ( c ）节点与图 6 -47 ( a ）相似，仅梁的腹板处改用连接角钢和高强度螺栓连接，目的是使安装时便于对中就位。图 6 -47 ( d ）是箱形柱与工字形梁的刚性连接节点示例，在梁的上、下翼缘板水平处柱内设置上、下两横隔，与柱截面周边用坡口焊缝焊接，横隔板厚度应大于梁翼缘板厚度，通常最小厚度为 16 ～。梁的翼缘板与柱的横隔板坡口对接，而梁的腹板则用角焊缝连接于柱身。

三、柱与基础的连接——柱脚

柱与基础的连接部分通常称为柱脚。柱脚用以把柱固定在混凝土基础上并把柱中的内力安全地通过基础最后传给地基，简单地讲就是柱脚具有固定位置和传力两大作用。

1 ．铰接柱脚

图 6-48 是构造最为简单的一种平板式铰接柱脚形式，底板用水平角焊缝与柱截面相连，以传递柱中压力。由于角焊缝的焊脚尺寸有一定限制而限制了传力的大小，这种柱脚一般用于荷载较轻的柱子。当荷载较大时，可将柱端截面刨平顶紧于底板，依靠刨平顶紧传力，但此时仍应设置角焊缝，可按轴力 15 肠计算，主要用以固定底板位置。大型柱截面进行刨平，需较大的加工设备，不易做到，同时采用的底板厚度也可能较大。

荷载较大的柱子当采用平板式柱脚有困难时，可以采用图 6-49 所示带肋板的柱脚形式。三角形肋板焊接于柱身使两者成为一体，从而加大了能传递的荷载。同时，加设肋板后，把底板分成若干区格，在基础反力作用下，板中弯矩可大大减小，从而可减小底板的厚度。

荷载较大的铰接柱脚还可采用图 6 -50 所示带靴梁的柱脚形式。靴梁一般采用两块钢板，柱中荷载通过竖向角焊缝传给靴梁，靴梁则通过水平角焊缝把荷载传给底板。根据需要在两靴梁间还可设置横隔板，以增加靴梁的侧向刚度，更重要的是设置横隔板以后，底板被分成许多更小的区格，底板厚度可因而减小。

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gaocen · 发表于 2013-2-20 17:26:32

本帖最后由 gaocen 于 2013-2-21 15:42 编辑

2 ．刚接柱脚

框架柱柱脚大多需承受轴心压力、水平剪力和弯矩，因而需与基础刚接。

图 6-51 所示为常用的分离式钢柱脚，用于格构式柱且两柱肢间距大于或等于 1.5m 时。分离式柱脚实质上是两个轴心受压柱的柱脚用连系构件连成整体，连系构件按构造设置。图 6-52 为整体式钢柱脚，主要用于实腹柱或格构柱当柱的分肢间距小于 1.5m 时。图（ a ）所示柱脚的底板平面呈矩形，图（ b ）所示的底板接近于正方形。柱脚的主要组成部分与轴心受压柱柱脚一样，包括底板、靴梁、隔板、肋板、锚栓等。底板用以把柱中弯矩和轴压力等内力转化为底板下压应力使之安全地传给支承柱脚的混凝土基础，因此底板必须有足够的底面积使混凝土基础顶面所受的最大压应力小于混凝土的抗压强度设计值。为了增加底板的刚性和底板下受力的均匀性，柱身通过焊缝与靴梁、肋板等相连把柱身中的内力向两旁或四周扩散以便均匀地传给底板。与轴心受压柱柱脚不同的是，刚接柱脚在弯矩作用下，柱脚底板下可能出现拉应力，而这些拉应力的合力必须通过锚栓来承受以使底板与混凝土基础避免分离。轴压柱柱脚中锚栓主要用以固定柱脚的位置，其直径按构造要求确定，而刚接柱脚中的锚栓则是重要的受力部件，其直径需按受力计算确定。为了增加整个柱脚在弯矩作用下的刚性，锚栓不能直接固定在柱脚底板上（否则底板易弯曲），而必须固定在“锚栓支架”上。锚栓支架各由高为 400mm左右的两块竖向肋板组成，肋板上端刨平顶紧并焊接于一水平钢板上（或角钢）上，水平板开有容纳锚栓的缺口（宽度为锚栓直径的 1 . 5 倍），锚栓就固定于此水平板上。为了增加刚性和整体性，图 6-52 ( a ）所示柱身前后的两个锚栓支架间用竖向隔板相连，而图 6-52 ( b ）中左右两锚栓支架间用水平隔板相连。这就是刚接框架柱柱脚区别于轴心受压柱柱脚的主要点。

由于高层建筑钢结构中要求柱脚具有较高的刚性，目前又出现了埋入式柱脚和外包式柱脚，其刚性大于上述已介绍的钢柱脚。钢柱底端焊接底板并配以锚栓，把钢柱和底板埋入钢筋混凝土基础即构成埋入式柱脚，如图 6-53 所示。埋人式柱脚中 H 型钢钢柱埋人深度为柱截面深度的两倍或两倍以上，按计算确定。柱中轴力 N 部分由底板直接传给基础，部分由焊于柱翼缘板上的栓钉传给基础；柱端的弯矩由混凝土基础承受，见图 6-53 ( b ）及（。）。若将钢柱置于混凝土构件上又伸出钢筋在钢柱四周包一段钢筋混凝土者为外包式柱脚，如图 6-54 所示。外包式柱脚和埋入式柱脚主要用于多层和高层钢结构房屋建筑中，其构造要求和计算方法可参阅我国的行业标准，这里不多加说明。此外，还有由混凝土结构中“移植”来的插入式柱脚，如图 6-55 所示，主要用于单层钢结构厂房中。钢柱直接插人混凝土基础的杯口内，用二次浇灌混凝土固定。钢柱插入杯口的深度较预制混凝土柱的略大，规范第 8 章中给出了插入深度的要求。这种柱脚构造简单，节约钢材，安全可靠。