外露式钢柱脚节点连接设计的几个问题刍议

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1、万方数据第7卷第2期2005年4月建筑钢结构进展ProgressinSteelBuildingStructuresV01．7No．2Apr．2005外露式钢柱脚节点连接设计的几个问题刍议隋庆海(中国建筑东北设计院深圳分院，广东深圳518041)摘要：外露式钢柱脚与基础的连接可分为刚接铰接及半刚性连接，它既不是一个简单的刚度概念也不是一个简单的强度概念，尤其是半刚接，如何在设计中准确把握则是设计人员面临的一大课题。本文讨论的是柱脚节点的刚度与强度之间关系及柱脚设计的有关问题。关键词：钢柱脚．冈0接；铰接；半刚接中图分类号：TU318．01文献标识码：A文

2、章编号：1671—9379(2005)02—0059一04DiscussabouttheDesignoftheBareBaseofSteelColumnAbstractoKeDvords：SUIQing—hai(ChinaNortheastArchitecturalDesignandResearchInstitute，Shenzhen518041，China)Theconnectionbetweenthefootofsteelcolumnsandthebasecanbeclassifiedintorigid，pinnedandsemi—rigid．Th

3、eimportancetounderstandtherelationbetweenthestiffnessandstrengthoftheconnectiononthedesignofsteelcolu—minfootispointedout．baseofsteelcolumn；rigidconnection；pinnedconnection；semi-rigidconnection1引言外露式节点按分析问题的角度不同而有不同的分类：按节点的刚度分，节点可分为刚性半刚性及铰接等3类；按节点的承载能力分可分为全强，部分强度，铰接等3种。所谓的刚性连接是节

4、点的交角不能改变，且连接具有充分的强度；铰接连接是连接具有充分的转动能力，且能有效的传递横向剪力与轴心力；半刚性连接是连接具有有限的转动刚度，承受弯矩时节点会产生交角的变化。按上述定义，刚接、铰接及半刚性连接既是一个刚度概念又是一个强度概念。那么，刚度与强度之间是什么关系，什么时候由刚度控制，什么时候由强度控制以及刚接、铰接、半刚接是否可以相互转换，转换的条件是什么等等，这些问题便成了我们要认真研究的问题。就设计而言，强度设计较方便，而刚度设计较困难。弄清了刚度与强度之间的关系就可以通过某些措施将刚度设计与强度设计很好地统一起来，使设计概念更清楚简单。

5、2简单悬臂柱柱脚的设计理论讨论2．1数学上的推导根据导数概念，一阶导数为零时，函数有极值存在。对应于此极值，当二阶导数大于零时函数有极小值存在。有了这样的理论依据，对体系的数学分析就有了基础。为使问题简单化，本文假设柱本身为一刚性杆，将柱与基础之问的连接简化为一个抗转动的弹簧，且只有一个自由度，如图1所示，其刚度系数为k。根据能量准则体系的能量方程：1M一÷是妒一NL(1一cos巾)(1)Z对“求、导diu—kq,-NLsin中(2)d平求二阶导数等一k—NLcos巾(3)收稿日期：2004--06—11作者简介：隋庆海(1964一)，男，硕士、高级工

6、程师，主要从事工业与民用建筑设计，E-mail：qhsui@163．COIn。万方数据60建筑钢结构进展第7卷由譬一0得夺一。或五中一NLsin中时能量方程有极cl巾值存在。又由．丽d2u>。时方程有极小值得是>NLc。s夺对于小变形结构及夺一。时，则有k>NL(4)即是抗转动弹簧不会发生转动。也就是说连接为刚性连接。￡7“_——、?／弋图l力学简图图2柱脚简图2．2连接的刚度与强度之间的关系讨论为进一步推导节点刚度和外力的关系做以下几点假设：1)柱、基础以及柱脚螺栓三者的关系如图2所示。电为柱轴线与垂线的夹角，Q为锚栓与底板交点的连线的水平仰角。2)

7、基础本身可视为完全不动的无限刚体。于是整个讨论可忽略基础的变化因素，使得讨论简单化。3)考虑柱身的变形可不放在柱脚刚度的研究之内，为简化分析，假设柱身为刚性杆，本身不发生弯曲变形。4)柱脚底板与柱底端采用等强悍接后其变形可忽略。根据上述假设，柱脚的刚度主要由底板的刚度和地脚螺栓的刚度组成。将(4)式两端分别乘以哙，Q得南①2。CNL垂1(5)由材料力学可知：是Q—M。为节点的强度，是节点连接的一个抗力。NL①。一M为外力矩。a)当柱脚底板刚度无限大时，垂。一@即刚性连接时节点与柱身具有相同的M一①关系，参照(4)式得：M。。CM(6)也就是说，此时节点

8、刚度的设计完全等同于节点强度的设计。b)假设柱脚底板刚度为有限刚度且刚度很大，则柱身的倾角①，