11. Базы колонн. Расчет и конструирование оголовков колонн

Конструкция базы должна отвечать принятому в расчетной схеме колонны способу сопряжения ее с основанием. При шарнирном сопряжении база при действии случайных моментов должна иметь возможность некоторого поворота относительно фундамента, при жестком сопряжении необходимо обеспечить сопряжение базы с фундаментом, не допускающее поворота.

По конструктивному решению базы могут быть с траверсой, с фрезерованным торцом и с шарнирным устройством в виде центрирующей плиты.

При сравнительно небольших расчетных усилиях в колоннах чаще применяют базы с траверсами. Траверса воспринимает нагрузку от стержня колонны и передает ее на опорную плиту. Чтобы повысить равномерную передачу давления с плиты на фундамент, жесткость плиты увеличивают дополнительными ребрами между ветвями траверсы. В легких колоннах роль траверсы могут выполнять консольные ребра, приваренные к стрежню колонны и опорной плите. В колоннах с большими расчетными усилиями (6000-10000 кН и более) целесообразно фрезеровать торец базы. В этом случае траверса и ребра отсутствуют и плита, чтобы равномерно передать нагрузку на фундамент, должна иметь значительную толщину. Конструкция базы с фрезерованным торцом значительно проще и позволяет вести монтаж более простым, безвыверочным способом.

Базы с шарнирным устройством четко отвечают расчетной схеме, но из-за большей сложности монтажа в колоннах применяются редко.

При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом анкерные болты ставятся лишь для фиксации проектного положения колонны и закрепления ее в процессе монтажа. Анкеры в этом случае прикрепляются непосредственно к опорной плите базы; благодаря гибкости плиты обеспечивается необходимая податливость сопряжения при действии случайных моментов. При жестком сопряжении анкеры прикрепляются к стержню колонны через выносные консоли и затягиваются с напряжением, близким к расчетному сопротивлению, что устраняет возможность поворота колонны.

Диаметр анкерных болтов при шарнирном сопряжении принимают равным 20-30 мм, а при жестком мм. Для возможности некоторой передвижки колонны в процессе ее установки диаметр отверстия 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 базе.

После выбора типа базы расчетом устанавливают размеры опорной плиты в плане и ее толщину.

При площади опорной плиты , значительно меньшей обреза фундамента , расчетное сопротивление сжатию материала фундамента повышается, и бетон фундамента работает на локальное сжатие (смятие).

Требуемая площадь плиты

Размеры плиты B и L определяются в пределах требуемой нагрузки по конструктивным соображениям в зависимости от размещения ветвей траверсы или укрепляющих плиту ребер.

Плита работает как пластинка на упругом основании, воспринимающая давление от ветвей траверсы и ребер. Опыты показали, что давление на фундамент распределяется неравномерно, с пиками в местах передачи нагрузки. Однако для простоты расчета давление под плитой принимается равномерно распределенным. Плиту рассчитывают как пластину, нагруженную снизу равномерно распределенным давлением фундамента и опертую на элементы сечения стержня и базы колонны (ветви, траверсы, диафрагмы, ребра и т.п.).

В соответствии с конструкцией базы плита может иметь участки, опертые на четыре канта, на три канта и консольные.

Наибольшие изгибающие моменты, действующие на полосе шириной 1 см, в пластинках, опертых на 3 или 4 канта, определяют по формуле где - расчетное давление на 1 см² плиты, равное напряжению в фундаменте под плитой. Обычно толщину плиты принимают в пределах 20-40 мм.

Усилие стержня колонны передается на траверсу через сварные швы, длина которых и определяет высоту траверсы . Если ветви траверсы прикрепляются к стержню колонн четырьмя швами, то получить требуемую высоту траверсы можно по следующей формуле: при и см. Высоту траверсы следует принимать не больше

Прикрепление консольных ребер к стержню колонны рассчитывают на момент и поперечную силу. Момент в плоскости ребра (консоли) где - ширина грузовой площади; - вылет консоли.

Поперечная сила в месте прикрепления консоли

Так как свесы плиты не укреплены, плита обычно получается толще прокатного листа (40-50 мм). В этом случае применяют литые плиты или слябы.

Опорную плиту устанавливают отдельно на трех установочных болтах. После выверки плиты и заливки ее бетоном до верхнего обреза на нее устанавливают колонну.

Плита при фрезерованном торце стержня колонны работает как пластина на упругом основании.

Изгибающий момент в плите по кромке колонны где - напряжение в фундаменте под плитой базы; - площадь трапеции; - расстояние от центра тяжести трапеции до кромки колонны.

Требуемая толщина плиты

Точный расчет, учитывающий фактический пространственный изгиб плиты, для прямоугольной пластинки весьма сложен, однако он может быть упрощен, если заменить прямоугольную плиту и сечение колонны равновеликими им по площади кругами.

Оголовки колонн и сопряжение балок с колоннами. Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое. Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Колонны в этом случае должны быть закреплены во время эксплуатации и монтажа от горизонтальных смещений защемлением в фундаменте или системами вертикальных связей. Жесткое сопряжение балок с колоннами образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшить расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При свободном сопряжении, балки обычно ставят на колонну сверху, что обеспечивает простоту монтажа. В этом случае оголовок колонны состоит из плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны.

Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, то плита оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок.

Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвям колонны при сквозном стержне или к стене колонны при сплошном стержне. Швы, ребер прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок. Проверяют их по формуле при или при .

Высоту ребра оголовка определяют из условия требуемой длины швов, передающих нагрузку на стержень колонны (длина швов не должна быть больше ) см.

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением где - длина сминаемой поверхности, равная ширине опорного ребра балки плюс две толщины плиты оголовка колонны.

Назначив толщину ребра, следует проверить его на срез по формуле При малых толщинах стенок швеллеров сквозной колонны и стенки сплошной колонны их надо также проверить на срез в месте прикрепления к ним ребер. Можно в пределах высоты оголовка сделать стенку более толстой.

Чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, вертикальные ребра, воспринимающие нагрузку, обрамляют снизу горизонтальными ребрами.

Опорная плита оголовка передает давление от вышележащей конструкции на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колоннами монтажными болтами, фиксирующими проектное положение балок. Толщина опорной плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

При фрезерованном торце колонны давление от балок передается через опорную плиту непосредственно на ребра оголовка. В этом случае толщина швов, соединяющих плиту с ребрами так же, как и с ветвями колонны, назначается конструктивно. Большие опорные давления балок лучше передавать на колонну через ребра, расположенные над полками колонн.

Если балка крепится к колонне сбоку, вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристрагиваются. Толщину столика принимают из листа толщиной 20-40 мм. Толщина столика должна быть больше толщины опорного ребра примерно на 10 мм. Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

Сварные швы, приваривающие столик к колонне, рассчитывают по формуле при или при .

Чтобы балка не зависла на болтах и плотно стала на опорный столик, опорные ребра балки прикрепляются к стержню колонны болтами, диаметр которых должен быть на 3-4 мм меньше диаметра отверстий.