钢牛腿设计
钢牛腿设计及工程实例
钢牛腿设计及工程实例1.概述钢牛腿作为工业建筑中常见的受力构件，具有施工简单、理论计算可靠、截面小承载力高等优点，同时较之钢筋混凝土牛腿更容易应用于改造工程中。
从受力特点上分析，钢牛腿整体以受弯为主。
作用是传递构件外部竖向荷载，同时在牛腿根部产生较小的附加弯矩。
常见有以下几种型式，见图1：其中第一种型式轻便易于施工，常用于支托电缆或小型钢梁；第二种型式普遍为截面较小的钢牛腿，常见于单层厂房的排架柱上；第三种型式施工相对复杂，牛腿根部截面一般较大，承载力高，常用于支托钢吊车梁等重要构件。
本文下面将计算对比“工”形及“π”形的钢牛腿截面特性，并以“工”型截面为例，结合设计中的实际工程对钢牛腿进行受力分析及承载力验算。
2.工程设计实例开滦范各庄选煤厂浮选车间改造工程需在混凝土框架柱外新增钢牛腿，经多种结构方案比较，决定采用柱外粘贴钢板箍、牛腿刚接于钢板箍的结构形式。
同时沿层高方向以四角包角钢配合窄钢板带加固框架柱，详见图2。
牛腿荷载由上部钢梁传来，经计算梁端剪力设计值为V=520kN，牛腿端部产生的弯矩设计值M=V·e=520*0.4=208kN·m。
牛腿端部截面尺寸见图3，其中B f1=400mm，B f2=300mm，t1= t2=24mm，t w=16mm，h w=452mm，截面塑性发展系数γ=1.05。
2.1 端部截面特性比较选取“工”形及“π”形截面作为对比，截面尺寸见图4，截面特性见表1。
从表中数据不难看出，在截面面积相差无几的情况下，“工”形截面抗弯能力为“π”形截面的198%，抗剪能力为“π”形截面的61%。
可见，下翼缘的存在提高了“工”形截面的抗弯性能，而双腹板的存在使得“π”形截面的抗剪性能突出。
本工程竖向荷载偏离牛腿根部较远，为0.4m，牛腿受弯作用显著，故优先选择抗弯承载力较高“工”形截面。
2.2 端部截面验算牛腿端部截面面积A n21122***24032n f f w w A B t B t t h mm =++=钢牛腿为左右对称截面，下翼缘外边缘至截面形心轴处的距离y22211112[*/2**(/2)**(/2)]/273.77f w w w f w n y B t t h h t B t t t h A mm =+++++=形心轴以上面积对形心轴的面积矩S2311212**(/2)()*/22383805f w w w S B t h t t y h t y t mm =++-++-=截面惯性矩I331111212*/12**(/2)*/12**(/2)f f w w w w w w I B t B t h t y t t h t h h t y =++-++++-3422222*/12**()1061976353f f B t B t y t mm ++-=形心轴以上、以下截面模量W n1、W n23121/()4694198n w W I h t y t mm =+-+=32/3879106n W I y mm ==上翼缘外边缘的正应力σ121142.2215/n W N mm σγ=M/=＜，上翼缘抗弯满足。
井筒装备中钢结构牛腿的设计方法
f
=
1
十
。 s
x
150
15 0 2
.
罐 道 牛腿
4
:
有
I
字形 ( 图
:
3 )和 T
字
L
形 (图
3
.
) 两种
。
—
罐 道梁 ( 或罐 道牛腿 ) 层 间距
厘米
P
v 二
,
梯 子 梁 和 管子 梁 牛 腿
、
用一 根 短 角
垂 直力
2
.
P
。
/
4
公斤
提 升 容器对 罐 道 的 作 用力 在罐 道 梁
,
衬
图 3
,
承受 一 侧 两 根 罐 道 的 正 面 水 平 力 和 另 一 侧 两
根罐 道 指 向 同 一 端 (
用时 (图
8 )
。
最 不 利 受 力状 态
分 别 计 算受 水平 荷 载 作 用
,
B
端 ) 的 侧 面 水平力 作
和受 垂 直 荷载 作用 时
v
罐 道 梁牛腿 在 纵 横 竖
: x
、
三 个方 向 ( 图 5 m b ) 的最 大 荷 载 N a
;
可 不 考 虑梁
式中
为 每 根罐 道 的 重 量
。
公斤
S
为 固定
的 扭 转 问题 )
。
同 一 根 罐道 的 牛 腿 个 数
.a
( 1 ) 纵 向最 大 荷 载发 生 在 罐 道 梁 同 时
奴 罐道 梁 牛 腿(
承 受 四根 罐道 指 向 同 一 端 ( B 端 ) 的 侧 面 水
牛 腿( 雄道
钢结构计算表格-钢牛腿设计
截面腹板上 端抵抗矩W’
n3
W’n3=In/(y-tf)=
3602064.516 mm3
腹板下端的正 应力σ1
σ=M/ Wn2=
70.95 N/mm2<120 N/mm2 ,满足要求
腹板上缘的正应力σ和切应力τ σ=M*(y-tf)/I=
τ=V*S/(I*n*tw)=
42.02589913 N/mm2<120 N/mm2 24.10 N/mm2<120 N/mm2
组合应力
三、 牛腿与 柱的连接焊 缝计算：
2 3 2
= 59.23455569
N/mm2<120 N/mm2
由于牛腿翼缘竖向刚度较差，一般不考虑承担剪力，因此计算时通常假定腹板焊缝承受所有剪力， 矩则由全部焊缝承受。
焊缝截面的型心y坐标 y=(b*t*(-0.5t)+b*t*(0.5t+tf)+(h-t)*t*n*2*(0.5(h-t)+t+tf))/(2*b*t+2*n*
和柱的连接
采用角焊缝
连接。 二、牛腿强度的计算
F*e= 151.38 kN.m
V= 504.6 kN
牛腿根部的
净截面积An
An=b*tf+tw*h*n=
24000 mm2
上翼缘板上
边缘至截面
形心轴处的
距离y
y=(b*tf*0.5*tf+n*h*tw*(tf+0.5*h))/An=
669984000 mm4
,满足要求 ,满足要求 ,满足要求
假定腹板焊缝承受所有剪力，而弯 .5(h-t)+t+tf))/(2*b*t+2*n*(h-t)*t) +
钢筋混凝土牛腿的设计
2、剪跨比 a/h0<0.2（13.8.3 条）： （1）混凝土剪切破坏，顶部纵向受力钢筋达不到 抗拉强度。 （2）以纵向受力钢筋为水平拉杆，混凝土为斜压 杆的三角形桁架假定显然已不合理。 （3）牛腿承载力由顶部纵向受力钢筋、水平箍筋 与混凝土三者共同提供。牛腿应在全高范围内设 置水平钢筋。
9.7 双向板肋形结构的设计
但当牛腿顶面作用有水平拉力时还要计算水平 钢筋的用量。
三、牛腿的配筋计算与构造 牛腿的破坏形态有两种，两种配筋方法也有两
种。
1、剪跨比 a/h0＞0.2（13.8.2 条） （1）这种破坏在斜裂缝出现后，牛腿可近似看作 是以纵筋为水平拉杆，以混凝土为斜压杆的三角 形桁架。
（2）纵向受力钢筋由两部分组成： 承受竖向力Fv 所需的受拉钢筋 承受水平拉力 Fh 所需的锚筋
13.8 钢筋混凝土牛腿的设计
一、试验结果 剪跨比a/h0对牛腿破坏影响最大。a 、h0见下图。 随着剪跨比a/h0的不同，牛腿大致发生以下两种破
坏情况：
1、剪跨比 a/h0＞0.2：
（1）在竖向荷载作用下，裂缝①最先出现在牛腿顶面与上 柱相交的部位。
（2）随着荷载的增大，在加载板内侧出现裂缝② 。
二、牛腿截面尺寸的确定（13.8.1 条）
（1）牛腿的宽度与柱的宽度相同，牛腿的高度可根据 裂缝控制要求确定。
一般是先假定牛腿高度h ，然后按下式进行验算：
Fvk
1
0.5
Fhk Fvk
f tk bh0 0.5 a h0
Fvk——按荷载标准值计算得出的作用于牛腿顶面的竖向力； Fhk——按荷载标准值牛腿，0.70 ；
（3）在裂缝②的外侧，形成 明显的压力带。
（4）当在压力带上产生许多 相互贯通的斜裂缝，或突然 出现一条与斜裂缝②大致平 行的斜裂缝③时，就预示着 牛腿即将破坏。
钢牛腿设计施工图 TD-T07-02
钢牛腿设计
钢牛腿设计一、计算资料牛腿尺寸（单位：mm）上翼缘宽bf1400上翼缘厚t120腹板宽ts14下翼缘宽bf2400下翼缘厚t220腹板高度hw660荷载竖向压力设计值F=950柱边与竖向压力距离e=0.5m材料钢材为Q235-B焊条为E43焊接形式手工焊焊缝质量三级角焊缝焊角尺寸hf(mm)=10连接，腹板和柱的连接采用角焊缝连接。
二、牛腿强度的计算作用于牛腿根部的弯炬M和剪力VM=F*e=475.00kN.mV=950kN牛腿根部的净截面积AnAn=bf1*t1+bf2*t2+ts*hw=25240mm2上翼缘板中心至截面形心轴处的距离yy=(ts*hw*0.5*(hw+t1)+bf2*tf2*(hw+0.5*tf1))/An=336.83mm形心轴以上面积对形心轴的面积矩SS=(y-0.5*t1)*ts*0.5*(y-0.5*t1)+t1*bf1*y=3442370.323mm3净截面的惯性矩In腹板中心距与y的距离a=(0.5*hw+0.5*t1-y)In=t1*bf1*y*y+t2*bf2*y*y+ts*hw*hw*hw/12+ts*hw*a*a=2150780621mm4净截面的上、下抵抗矩Wn1、Wn2Wn1=In/(y+0.5*t1)=6201245.5mm3Wn2=In/(hw+t1+0.5*t2-y)=6089938mm3下翼缘外边的正应力σσ=M/ Wn2=78.00N/mm2<215 N/mm2 ,满足要求截面形心轴处的剪应力ττ=VS/(Itw)=108.61N/mm2<215 N/mm2 ,满足要求截面腹板下端抵抗矩W’n2W’n2=In/(hw+0.5*t1-y)=6455513.4mm3下翼缘对形心轴的面积矩S1S1=t2*bf2*(hw+0.5*t1+0.5*t2-y)=2745357mm3腹板下端的正应力σ1σ1= M/W’n2=73.58 N/mm2腹板下端的剪应力τ1τ=VS1/(It w)=86.62 N/mm2腹板下端的折算应力√(σ12+3τ12)=167.10N/mm2<1.1*215 N/mm2 ,满足要求三、 牛腿与柱的连接焊缝计算：由于牛腿翼缘竖向刚度较差，一般不考虑承担剪力。
钢结构钢牛腿设计计算表格
钢牛腿设计一、计算资料牛腿尺寸（单位：mm）荷载竖向压力设计值F=80kN柱边与竖向压力距离e=0.5m 材料钢材为Q345-B焊条为E50焊接形式手工焊焊缝质量三级角焊缝焊角尺寸hf(mm)=6牛腿翼缘和柱的连接采用对接焊缝（坡口焊）连接，腹板和柱的连接采用角焊缝连接。
二、牛腿强度的计算作用于牛腿根部的弯炬M和剪力VM=F*e=40.00kN.mV=F=80kN牛腿根部的净截面积AnAn=bf1*t1+bf2*t2+tw*hw=6208mm2上翼缘板中心至截面形心轴处的距离yy=(tw*hw*0.5*(hw+t1)+bf2*tf2*(hw+0.5*t1+0.5*t2))/An=143.00mm 形心轴以上面积对形心轴的面积矩SS=(y-0.5*t1)*tw*0.5*(y-0.5*t1)+t1*bf1*y=362176mm3净截面的惯性矩In腹板中心距与y的距离a=(0.5*hw+0.5*t1-y)=0mmIn=(bf1*t1^3)/12+t1*bf1*y^2+(bf2*t2^3)/12+t2*bf2*(hw+0.5*t1+0.5*t2)^2+(tw*hw^3)/12+tw*hw*a^2=95845717.33mm4净截面的上、下抵抗矩Wn1、Wn2Wn1=In/(y+0.5*t1)=647606.1982mm3Wn2=In/(hw+0.5*t1-y+t2)=647606.1982mm3上翼缘外边的正应力σσ=M/ Wn1=61.77N/mm2<310N/mm2,满足要求下翼缘外边的正应力σσ=M/ Wn2=61.77N/mm2<310N/mm2,满足要求截面形心轴处的剪应力ττ=V*S/(I*tw)=37.79N/mm2<310N/mm2,满足要求截面腹板下端抵抗矩W’n2W'n2=In/(hw+0.5*t1-y)=694534.1836mm3下翼缘对形心轴的面积矩S1S1=t2*bf2*(hw+0.5*t1+0.5*t2-y)=286000mm3腹板下端的正应力σ1σ1= M/W'n2=57.59 N/mm2腹板下端的剪应力τ1τ=V*S1/(I*t w)=29.84 N/mm2腹板下端的折算应力√(σ12+3τ12)=77.38N/mm2<1.1*310 N/mm2,满足要求腿与柱的连接焊缝计算：由于牛腿翼缘竖向刚度较差，一般不考虑承担剪力。
钢筋混凝土牛腿的设计
（4）牛腿顶面承受竖向力所需的水平钢筋和承受水平 拉力所需的锚筋组成的受力钢筋总截面面积：
As
1.65 3 a h0 f y
s d Fv f t bh0
1.2
d Fh
fy
牛腿中承受竖向力所需的水平箍筋总截面面积：
1 s d Fv f t bh0 Ash 1.65 3 a h0 f yh
（2）牛腿外形尺寸还应满足以下要求： 牛腿外边缘高度 h1>h/3 ，且不应小于 200mm 。 吊车梁外边缘至牛腿外缘的距离不应小于 100mm。
（3）牛腿顶面在竖向力设计值Fv作用下，局部受
压应力不应超过0.90fc，否则应采取加大受压面积，
提高混凝土强度等级或配置钢筋网片等有效措施。
三、牛腿的配筋计算与构造
牛腿的破坏形态有两种，两种配筋方法也有两
种。
1、剪跨比 a/h0＞0.2（13.8.2 条）
（1）这种破坏在为斜压杆的三角
形桁架。
（2）纵向受力钢筋由两部分组成：
承受竖向力Fv 所需的受拉钢筋
承受水平拉力 Fh 所需的锚筋
用《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）中的有关
条文，规定当a/h0<0.3时取a/h0=0.3进行配筋计算， 这往往造成牛腿顶部纵向受力钢筋用量过多的不合 理现象。
（3）在DL/T 5057-2009修编时，进行了专题研 究，进行了
36个独立牛腿小剪跨比（0.3，0.2，0.1，0）的
加载试验，
（1）牛腿截面出现斜裂缝时的荷载降低。
（2）牛腿的极限承载能力也降低。 （3）有水平拉力作用的牛腿与仅有竖向力作用的 牛腿的破坏规律相似，仍然是两种破坏。
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钢牛腿设计
一、钢结构部分设计软件（工字型截面和钢牛腿受力计算）
二、牛腿荷载值计算（竖向压力计算值KN）
1、吊车（大车自重）/2＝t
2、吊车（小车自重）x1＝t
3、吊车最大起重量x1= t
4、吊车梁及梁上附件：
每延长m重量x最大榀间距＝t
5、轨道重量：
每延长m重量x最大榀间距＝t
以上5项相加之和x1.4系数/0.098t = (竖向压力值)KN
三、牛腿几何尺寸确定原则：
1、牛腿翼缘板，宽度和厚度：
取相邻两钢柱的翼缘板较小的宽度和厚度数值。
2、牛腿腹板厚度：
取相邻两钢柱的腹板较小的厚度数值。
3、牛腿竖向劲板和柱横向加劲板的厚度和宽度：
厚度取牛腿翼缘板厚，宽度取（牛腿宽－牛腿腹板厚度）/2
四、钢牛腿受力计算界面
1、牛腿信息输入：写入翼缘板宽度，厚度
腹板宽度，厚度
腹板高度可以假定一个数值。
2、荷载：
1）填入计算好的竖向压力设计值（）KN
20.65m.
3、
出现判断情况界面
4、调整腹板高度达到经济，安全合理的数值。