Конструирование и расчет базы колонны

База является опорной частью колонны и служит для передачи усилий с колонны на фундамент. При сравнительно небольших расчетных усилиях в колоннах (до 4000 – 5000 кН) применяют базы с траверсами. Усилие от стержня колонны передается через сварные швы на плиту, опирающуюся непосредственно на фундамент. Для более равномерной передачи давления с плиты на фундамент жесткость плиты при необходимости может быть увеличена постановкой дополнительных ребер и диафрагм.

База закрепляется с фиксацией ее проектного положения на фундаменте анкерными болтами. В зависимости от закрепления осуществляется шарнирное или жесткое сопряжение колонны с фундаментом. В базе с шарнирным сопряжением анкерные болты диаметром 20 – 30 мм крепятся непосредственно за опорную плиту, обладающую определенной гибкостью, обеспечивающей податливость при действии случайных моментов (рис. 4.12).

Рис. 4.12. База колонны при Рис. 4.13. База колонны при

шарнирном сопряжении жестком сопряжении

с фундаментом с фундаментом

Для возможности некоторой передвижки (рихтовки) колонны в процессе ее установки в проектное положение диаметр отверстий в плите для анкерных болтов принимают в 1,5 – 2 раза больше диаметра анкеров. На анкерные болты надевают шайбы с отверстием, которое на 3 мм больше диаметра болта, и после натяжения болта гайкой шайбу приваривают к плите. При жестком сопряжении анкерные болты прикрепляются к стержню колонны через выносные консоли траверс, имеющих значительную вертикальную жесткость, что устраняет возможность поворота колонны на фундаменте. При этом болты диаметром 24 – 36 мм затягиваются с напряжением близким к расчетному сопротивлению материала болта. Анкерная пластина принимается толщиной t_ap = 20 – 40 мм и шириной b_ap, равной четырем диаметрам отверстий под болты (рис. 4.13).

Конструкция базы должна отвечать принятому в расчетной схеме колонны способу сопряжения ее с фундаментом. Принята к расчету и конструированию база колонны с жестким закреплением на фундаменте.

9. Типы сопряжений балок с колоннами

Типы сопряжений. Сопряжение балок с колоннами может быть свободное, гибкое (полужесткое) и жесткое. Под свободным прикреплением понимается такое присоединение, при котором с балки на колонну передаются только вертикальная и горизонтальная силы, но не моменты, и балка относительно колонны может свободно повернуться. Под жестким прикреплением понимается такое прикрепление, при котором балка с колонной соединяется наглухо такими деталями, которые могут воспринять воздействие изгибающих моментов. Гибкое или полужесткое присоединение является промежуточным между свободным и жестким. При гибком соединении с балки на колонну передаются преимущественно вертикальные и горизонтальные силы, а также частично и моменты; при этом угол, образованный балкой и колонной, может изменяться за счет деформации соединяющих деталей.

Свободное прикрепление наиболее просто и удобно при монтаже. Гибкое присоединение балок к колоннам применяется в тех случаях, когда на систему действуют только вертикальные нагрузки (или наряду со значительными вертикальными силами — небольшие горизонтальные), но систему необходимо укрепить прогни горизонтальных смещений и придать ей жесткость на время монтажа. Жесткое присоединение балок к колоннам применяется в тех случаях, когда на систему наряду с вертикальными действуют и горизонтальные силы, для восприятия которых система конструируется и рассчитывается как рама.
Крепление балок к колоннам осуществляется на сварке, заклепках и болтах.

Опирание балки сбоку на колонну

Сопряжение балок со стальными колоннами осуществляется путем их опирания сверху или примыканием сбоку к колонне. Такое соедине­ние может быть или шарнирным, передающим только опорную реакцию балки, или жестким, передающим на колонну кроме опорной реакции еще и момент защемления балки в колонне. Шарнирное соединение широко применяется в большинстве балочных конструкции, жесткое - в каркасах многоэтажных зданий. Примеры опирания балок на колонны сверху показаны на рис. 7.28. Конец балки в месте опирания ее на опору укрепляют опорными ребрами, считая при этом, что вся опорная реакция передается с балки на опору через эти ребра жесткости. Ребра жесткости для передачи опорной реакции надежно прикрепляют к стен­ке сварными швами, а торец ребер жесткости либо плотно пригоняют к нижнему поясу балки (рис. 7.28, а), либо строгают для непосредствен­ной передачи опорного давления на стальную колонну (рис. 7.28,б). Для правильной передачи давления на колонну (при конструктивном решении по рис. 7.28, а) центр опорной поверхности ребра надо совме­щать с осью полки колонны.

Размер опорных ребер жесткости определяют обычно из расчета на смятие торца ребра

σ_р=F/A_p≤R_CM.T γ

(7.68)

где F — опорная реакция балки; Ap — площадь смятия опорного ребра, в сварных балках принимается равной всей пристроганной части площади ребра; Rсм т — рас­четное сопротивление стали смятию торцовой поверхности.

Ширина выступающей части ребра из условий его местной устойчи­вости не должна превышать

Выступающая вниз часть опорного ребра (рис. 7.28,б) не должна превышать и обычно принимается 15 — 20 мм.

Помимо проверки на смятие торца опорного ребра производится также проверка опорного участка балки на устойчивость из плоскости балки как условного опорного стержня, включающего в площадь рас­четного сечения опорные ребра и часть стенки балки шириной по в каждую сторону (на рис. 7.28, а эта площадь заштрихо­вана) и длиной, равной высоте стенки балки:

где — коэффициент продольного изгиба стойки с гибкостью(λ=hСТ/i_Z), определен­ной относительно оси z, совпадающей с профильной осью балки.

Прикрепление опорных ребер к стенке балки сварными швами дол­жно быть рассчитано на полную опорную реакцию балки с учетом мак­симальной рабочей длины сварного шва. Шарнирное примыкание балок сбоку (рис. 7.28, в) по своему конструктивному оформлению, работе и расчету не отличается от опирания балок сверху по рис. 7.28, б.

Опирание балок на стены и железобетонные подкладки. При опирании балок на каменные стены и железобетонные подкладки обычно при­меняют специальные стальные опорные части, которые служат для рав­номерного распределения давления балки на большую площадь менее прочного, чем балка, материала опоры (камень, железобетон). Кроме того, опорные части должны обеспечить свободу деформации концов балки — поворот при прогибе балки, продольное смещение температур­ных и силовых деформаций, в противном случае в опоре возникнут не­желательные дополнительные напряжения. В соответствии с этими тре­бованиями применяют неподвижные и подвижные опорные части следу­ющих типов (рис. 7.29):

при пролетах до 20 м....... плоские опорные плиты (рис. 7.29, а,б)

при пролетах до 40 м....... тангенциальные опорные плиты (рис. 7.29, в)

при пролетах более 40 м....... катковые опорные части (рис. 7.29, г)

Опорные части изготовляют из литой или толстолистовой стали.

Площадь опирания плоских и тангенциальных опорных плит должна быть достаточной для передачи опорного давления балки на кладку стены или на бетон. Отсюда определяют размеры плиты

А_пл = аb = F/R_бет.

(7.69)

Толщину плиты определяют из условия ее прочности на изгиб (рис. 7.29, в).

Расчетный изгибающий момент в среднем сечении плиты

M=F*a/2*4=Fa/8

Момент сопротивления этого сечения плиты

Wпл=bt2пл/6=M/Rγ

Отсюда легко определить толщину плиты

(7.70)

где F – расчетное давление балки на опору.

Радиус поверхности тангенциальной опорной плиты определяют из условия местного смятия при свободном касании плоскости и цилиндрической поверхности по условной формуле «диаметрального сжатия», полученной путем преобразования формулы Герца, :

r=F/2lRсм.к

(7.71)

где l – длина соприкосновения цилиндрической поверхности катка или тангенциальной опорной плиты с верхней плитой; Rсм.к=0.025 Rв – расчетное сопротивление «диаметральному сжатию катков» при свободном касании; оно получено из сопоставления формулы (7.71) с формулой Герца, причем для формулы Герца принято рас­четное сопротивление местному смятию при свободном касании, кН/см²:

Простейшие однокатковые опоры (рис. 7.29, г) состоят из двух плит, между которыми помещают каток, часто срезанный по бокам.

Верхнюю плиту, являющуюся прокладкой между балкой и катком, обычно назначают толщиной около 30 мм. Нижняя плита работает по­добно плите тангенциальной опоры, и ее размеры определяют по фор­мулам (7.69) и (7.70).

Чтобы уменьшить трение качения, диаметр катка, мм, назначают по приближенной формуле не менее

d=2r≥130+l/1000

(7.72)

где l — пролет балки.

Затем проверяют на местное смятие по формуле (7.71).

Для обеспечения правильного расположения катка в опорной части к нему с боков прикрепляют противоугонные планки, а в середине де­лают реборду, не дающую катку сдвинуться поперек.

Сопряжения балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних поясов и с по­ниженным расположением верхних поясов второстепенных балок (рис. 7.30).

Этажное сопряжение (рис. 7.30, а) является простейшим, но оно из-за возможного отгиба пояса главной балки может передавать лишь не­большие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба.

Сопряжения в одном уровне и пониженное сопряжение способны пе­редавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне (рис. 7.30, б) — необходимость выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и уве­личивает трудоемкость сопряжения; кроме того, число болтов, которые можно разместить на стенке балки, ограничено. Избежать этих не­удобств можно, приварив на заводе к торцу вспомогательной балки ко­ротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки (рис. 7.30, в).

В этих сопряжениях опорная реакция со стенки примыкающей вспо­могательной балки передается через болты или монтажную сварку на специальное ребро, укрепляющее стенку главной балки. В качестве ра­ботающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспомогательных балок — высокопрочные болты.

Расчет сопряжения балок заключается в определении размеров сварных швов или числа болтов, работающих на срез и прикрепляю­щих балки друг к другу. Расчетной силой является опорная реакция вспомогательной балки, увеличенная на 20 % вследствие внецентренности передачи усилия на стенку главной балки.