第9讲节点1铰接柱脚与刚接柱脚在传力机理和节点构造设计的区别

第9讲 节点
1、 铰接柱脚与刚接柱脚在传力机理和节点构造设计的区别有哪些？
答：
铰接柱脚传递柱脚位置的剪力和轴力；刚接柱脚除了传递剪力和轴力之外，还通过锚栓传递柱脚位置的弯矩。

铰接柱脚中由于锚栓不传力，所以锚栓布置在中和轴附近；刚接柱脚中由于锚栓传递弯矩，所以锚栓布置在远离中和轴的位置。

详见下图所示。

2、 刚接柱脚锚栓截面如何计算？
答：
（1）柱脚锚栓应采用Q235或Q345钢材制作。

锚固长度不宜小于25d （d 为锚栓直径),锚栓端部按规定设置弯钩或锚板。

（2）刚接柱脚锚栓直径一般在30～76mm 的范围内选用，但不宜小于30mm 。

锚栓的数目在垂直于弯矩作用平面的每侧不应小于2个。

（3）埋设锚栓时，一般宜采用锚栓固定支架，以保证锚栓位置的准确。

3、 柱脚底板在什么情况下应设置抗剪键，其作用是什么？如何计算？
答：
在柱脚中，锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，此水平剪力fb V 可由柱脚底板与其下部的混凝土或水泥砂浆之间的摩擦力来抵抗，此时，摩擦力V fb 应符合下式要求： （a ）一对锚栓的铰接柱脚 （b ）两对锚栓的铰接柱脚 （c ）带加劲肋的刚接柱脚 （d ）带靴梁的刚接柱脚 门式刚架柱脚型式
0.4fb V N V =≥
当不能满足上式的要求时，当摩擦力不能抵抗柱脚的水平剪力时，应按下错误！未找到引用源。

所示的形式设置抗剪键。

4、 钢柱与底板的连接焊缝有哪几种形式？如何通过计算来保证其安全可靠？
答：
(1)当采用铰接柱脚时
a ）当H 形截面柱与底板采用周边角焊缝时（如下图a 所示），焊缝强度应按下列公式计算： w Nc f f ew N f A σβ=
≤ w v f eww
V f A τ=≤
w fs f f σ= 式中 N — 钢柱的轴心压力；
A ew — 沿钢柱截面四周角焊缝的总的有效截面面积；
V — 钢柱的水平剪力；
A eww — 钢柱腹板处的角焊缝有效面积。

βf — 正截面角焊缝的强度设计值增大系数；
w f f — 角焊缝的强度设计值；
σ f s — 角焊缝的折算应力。

b ）H 形截面柱翼缘采用完全融透的对接焊缝，腹板采用角焊缝连接时（如下图b 所示），
焊缝强度按下列公式计算：
2w Nc f f F eww
N f A A σβ=+≤ 抗剪键（a ）立面图
w v f eww
V f A τ=≤
w fs f f σ= 式中 A F — 单侧翼缘的截面面积。

c ）当H 形截面柱与底板采用完全融透的坡口对接焊缝时（如下图c 所示），可以认为焊缝与柱截面是等强的，不必进行焊缝强度的验算。

（2）当采用刚接柱脚时
通常情况下，柱脚底板与柱下端的连接焊缝，无论是否设有加劲肋，均可按无加劲肋的情况进行计算。

当加劲肋与柱和底板的连接焊缝质量有可靠保证时，也可采用底板与柱下端和加劲肋的连接焊缝的截面性能进行计算。

当不考虑加劲肋与底板连接焊缝的作用时，底板与柱下端的连接焊缝，可按以下情况确定。

a ）当H 形截面柱与底板采用周边角焊缝时（如上图a 所示），焊缝强度应按下列公式计算： w Nc f f ew
N f A σβ=≤ w Mc f f ew
M f W σβ=≤ w v f eww
V f A τ=≤
w fs f f σ= 底板与钢柱下端的连接焊缝示意图 （a ） （b ） （c ）
（a ）周边为角焊缝连接；（b ）翼缘为完全焊透的坡口对接焊缝， 腹板为角焊缝连接；（c ）周边为完全焊透的坡口对接焊缝连接
式中 N 、M 、V — 作用于柱脚处的轴心压力、弯矩和水平剪力；
A ew — 沿钢柱截面四周角焊缝的总的有效截面面积；
A eww — 钢柱腹板处的角焊缝有效截面面积；
W ew — 沿钢柱截面周边的角焊缝的总有效截面模量；
βf — 正截面角焊缝的强度设计值增大系数；
w f f — 角焊缝的强度设计值；
σfs — 角焊缝的折算应力。

b ）当H 形截面柱翼缘采用完全融透的对接焊缝，腹板采用角焊缝连接时（如上图b 所示），作用于钢柱柱脚处的轴力及弯矩通过翼缘与柱底板的对接焊缝传递至基础，剪力通过腹板与柱底板的角焊缝传递至基础，焊缝强度按下列公式计算：
2w Nc f f F eww
N f A A σβ=+≤ w Mc f f F
M f W σβ=
≤ w v f eww V f A τ=≤ ①对翼缘： w f Nc Mc f f f σσσβ=+≤
②对腹板：
w fs f f σ 式中 A F — 单侧翼缘的截面面积；
W F — 翼缘的截面模量。

c ）当H 形截面柱与底板采用完全融透的坡口对接焊缝时（如上图c 所示），可以认为焊缝与柱截面是等强的，不必进行焊缝强度的验算。

5、 摇摆柱与斜梁的连接与构造？
答：
摇摆柱构造形式简单，传力明确。

仅传递竖向荷载，不传递水平荷载。

（a ）节点一（b ）节点二摇摆柱与斜梁连接节点
6、 某门式刚架结构柱脚采用刚接方式与基础相连，地脚锚栓采用材质为Q235BF 的M30
的锚栓，有效面积为Ae=5.61cm 2
，抗拉强度a t f =140 N/mm 2，平面布置如下错误！未找到引用源。

所示。

基础采用独立基础，混凝土标号为C30，基础短柱尺寸采用800mm×800mm ，混凝土轴心抗压强度设计值fc=14.3N/mm2，弹性模量为Ec=3.00×104 N/mm2。

考虑各种荷载效应的组合后，已知柱脚所承担的内力为：弯矩：M A = -175 kN·m ，剪力：V A = -40 kN ，轴力：N A = 180 kN 。

试验算柱脚底板的厚度，并对钢柱与柱脚底板的连接焊缝进行验算。

答：
（1）柱脚底板尺寸
L =h +2l t +2a =400+2×(70+80)=700mm
B =b +2b t +2a
=250+2×(60+95)=560mm 摇摆柱与斜梁的连接节点
刚接柱脚节点示意图
31751070070972.21401806363
t l M L e mm mm N ⨯===>+=+= 根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中第6.6.1条规定，混凝土局部受压时
的强度提高系数为：
1.28c β；钢材与混凝土的弹性模
量之比20.63.00 6.87c α==；受拉侧锚栓的总有效面积A e t =3×5.61=16.83cm 2，总拉力T =1683×140=235.62kN ；受拉侧底板边缘至受拉锚栓中心的距离l t =70mm 。

可试算得底板受压区的长度x n =110.16mm 。

有：
()()()()322
20.52180100.5700972.2703560110.1670070110.16312.32/ 1.2214.317.45/t c n t n c c N L e l Bx L l x N mm f N mm σβ+-⨯⨯⨯⨯+-==--⨯⨯--==⨯=≤
受拉侧锚栓的总拉力为：
3(0.53)18010(972.20.5700110.163)370070110.163
199.92291.48n a t n N e L x T L l x kN T kN
-+⨯⨯-⨯+==----=<= 2）柱脚底板的厚度t
悬臂板： 22110.50.512.32305544c M a N mm σ==⨯⨯=⋅
两相邻边支承板：，22/93/1880.495b a ==，查得α=0.059，
22220.05912.3218825691c M a N mm ασ==⨯⨯=⋅
三边支承板一： ''2
2/120/2080.577b a ==，查得α'=0.071，'''22220.07112.3220837844c M a N mm ασ==⨯⨯=⋅
三边支承板二： ''''2
2/230/208 1.11b a ==，查得α''=0.117，'''''22220.11712.3220862363c M a N mm ασ==
⨯⨯=⋅
35.6t mm = 应取底板厚度为t=36mm 即可满足设计要求。

（2）钢柱与柱脚底板的连接焊缝计算。

本工程钢柱柱脚与底板间的焊缝形式采用翼缘完全融透的对接焊缝，腹板采用角焊缝，焊脚尺寸为h f =10mm ；焊条选用E50型，角焊缝强度设计值为w f f =200N/mm 2。

()20.7104002122024984eww A mm =⨯⨯-⨯-⨯=，2250123000F A mm =⨯=
2
63212250194 1.1310200
F W mm ⨯⨯⨯==⨯ 3221801016.39/ 1.22200244/2230004984
w A Nc f f F eww N N mm f N mm A A σβ⨯====⨯=+⨯+≤ 6226
17510154.87/244/1.1310w A Mc f f F M N mm f N mm W σβ⨯====⨯≤ 3
2240108.03/200/4984
w v f eww V N mm f N mm A τ⨯====≤ ① 对翼缘：2216.39154.87171.26/244/w f Nc Mc f f N mm f N mm σσσβ=+=+==≤
② 对腹板：
22
15.65/200/fs w f N mm f N mm σ====≤焊缝强度满足设计要求。