《轴向受力构件》PPT课件.ppt

结构设计原理 第五章 轴向受力构件,5.4 钢结构轴向受力构件,5.4.1 轴心受力构件的强度和刚度,1. 实际工程中钢结构轴心受力构件 桁架、塔架和网架、网壳等杆件体系,工业建筑的工作平台支柱,轴向受力构件的截面形式,实腹式构件的截面形式（强轴和弱轴）,格构式构件的截面形式,2. 轴向受力构件的设计要求,承载能力极限状态：强度和稳定 轴心受拉：强度 轴心受压：强度和稳定 正常使用极限状态：变形（刚度，长细比）,3. 轴心受力构件的强度计算,轴心受力构件的强度计算（以截面平均应力达到钢材的屈服应力为极限） 除摩擦型高强度螺栓连接处外的强度计算式,摩擦型高强度螺栓连接处,孔前传递的力,净截面处的传力为,净截面处的强度公式为,同时毛截面处还应满足,4. 刚度要求,长细比过大产生的不利影响： 在运输和安装过程中产生弯曲或过大的变形 使用期间因其自重而屈曲 在动力荷载作用下发生较大的振动 压杆的长细比过大时，还将使构件的承载力降低过多。 长细比限值,在承受静力荷载的结构中，可仅计算受拉构件在竖向平面内的长细比； 在直接或间接承受动力荷载的结构中，计算单角钢受拉构件的长细比时，应采用单角钢的最小回转半径；计算单角钢交叉杆件平面外的长细比时，应采用角钢肢边平行轴的回转半径 。,3）受拉构件的容许长细比,4）受压构件的容许长细比,5.4.2 实腹式轴心受压构件的整体稳定,理想轴心压杆的整体失稳（杆件完全挺直、荷载沿杆件形心轴作用，杆件在受荷之前没有初始应力，也没有初弯曲和初偏心等缺陷，截面沿杆件是均匀的） 弯曲屈曲 扭转屈曲 弯扭屈曲,双轴对称截面发生弯曲屈曲或扭转屈曲；单轴对称截面发生弯曲屈曲（绕非对称轴）或弯曲扭转屈曲（绕对称轴）；没有对称轴的截面均属弯扭屈曲。,2. 理想压杆的临界力（弹性弯曲屈曲）,弹性屈曲的临界力,3. 弹塑性屈曲,根据切线模量理论,4. 影响稳定承载力的因素,残余应力的影响,产生的原因：焊接时不均匀加热和不均匀冷却；型钢热轧后不均匀冷却；板边经火焰切割后的热塑性收缩；构件经冷校正产生的塑性变形。,残余应力在截面上的分布 为自平衡应力,存在残余应力构件的的应力-应变关系 提前进入弹塑性阶段,残余应力的存在将降低构件的临界承载力,初弯曲的影响,有初弯矩的构件，其承载力总是低于欧拉临界力,进入弹塑性状态,到达C点，稳定承载力不能再增加,3) 初偏心的影响,初偏心,初偏心的影响类似初弯矩的影响，但更严重,4）最大强度准则,压屈准则 理想轴心压杆，当N增大到某一值时，压杆失去直线状态平衡称为压屈。主要指标为Ncr，可考虑弹性或弹塑性状态，但不能考虑初始缺陷。 纤维屈服准则 最不利截面上边缘纤维的最大应力达到屈服，计算指标为纤维屈服压杆荷载。 压溃准则 实际压杆，当N增大到某一值时，弯曲变形增长使得压杆失去承载力，计算指标为压溃荷载。,考虑残余应力、初弯曲、初偏心情况压杆的极限承载力计算复杂，须利用数值积分用计算机求解。,5. 整体稳定计算公式,柱子曲线与稳定系数,考虑初弯曲和残余应力的不利条件，初弯曲的矢高定为1/1000杆长，残余应力按杆件加工条件确定，利用数值积分求极限承载力,根据截面形式分为a、b、c三类 a类截面残余应力与初弯曲影响较小；c类则较大；b类介于其中。,当板件厚度超过40mm时，残余应力较大，单独增加d类,根据柱子曲线拟合的稳定系数计算公式,整体稳定计算公式,6. 稳定计算时采用的长细比,截面为双轴对称或极对称的构件,上述公式仅考虑了构件的弯曲屈曲，如发生扭转屈曲或弯扭屈曲，则将影响计入换算长细比中。,2）截面为单轴对称的构件绕对称轴失稳时,3）截面为单角钢或双角钢组合T形的构件绕对称轴失稳,4）单轴对称的轴心压杆在绕非对称主轴以外的任意轴失稳时,4）规范的其他规定,无任何对称轴且又非极对称的截面（单面连接的不等边角钢除外）不宜用作轴心受压构件。 对单面连接的单角钢轴心受压构件，考虑强度设计值的折减系数后，可不考虑弯扭效应。 当槽形截面用于格构式构件的分肢，计算分肢绕其对称轴的稳定性时，可不考虑弯扭效应，直接用 查处 值。,例题5-26,5.4.3 实腹式轴心受压构件的局部稳定,轴心受压构件板件局部失稳,局部失稳实际上是由于薄板在轴心压力下的局部屈曲，可根据板理论计算临界应力,2. 板件的宽厚比限值,受压构件板件的局部稳定以板件屈服不先于构件的整体屈服为条件，并以限制构件的宽厚比来实现。,3. 局部稳定不满足要求时采取的措施,调整板件的厚度或宽度 对于箱形和工形截面腹板设置纵向加劲肋，以减小腹板的计算高度。纵向加劲肋通常在横向加劲肋之间设置。加劲肋的设置要求：,3） 不考虑腹板的局部稳定,在计算构件的强度和稳定性时，如未满足腹板的宽厚比，可认为腹板中间部分已伤失稳定局部退出工作，而仅考虑腹板计算高度边缘范围内两侧宽度各为 的部分作为有效截面。但计算构件整体稳定系数时，仍用全截面。,5.4.4 实腹式轴心受压构件的设计,轴心受压构件一般采用双轴对称截面，如图所示：,轧制宽翼缘H型,选择截面的几个原则,面积分布应尽量开展，以增加截面的惯性矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚度。在满足局部稳定和使用等条件下，尽量加大截面轮廓尺寸而减小板厚，在工字形截面中取腹板较薄而翼缘较厚。 使两个主轴方向等稳定性 便于与其他构件进行连接 尽可能构造简单、制造省工、取材方便,2. 计算步骤,假定长细比，求稳定系数，初选截面,合理的长细比=60100,按求得的A，直接查型钢表选择，如采用组合截面，确定回转半径，并近似确定宽度、高度,验算整体稳定、局部稳定、长细比限值 如不满足要求，修改截面或重新假设 如截面开洞，验算净截面处的强度,用填板连接而成的双角钢或双槽钢构件，可按实腹式构件进行计算，但填板之间的间距不应超过下列数值：受拉构件，80i；受压构件40i。i为截面的回转半径，按下列规定采用：当为双角钢或双槽钢截面时，取一个角钢或一个槽钢对于填板平行的形心轴的回转半径；当为十字形截面时，取一个角钢的最小回转半径。同时，受压构件的两个侧向支撑点之间的填板数不得少于两个。,5.4.5 格构式轴心受压构件的设计,格构式柱的构造 格构式柱的特点和用途 截面形式：双肢柱、三肢柱和四肢柱。柱肢可采用槽钢、工字钢、角钢、钢管等。 缀件：缀条（剪力较大以及两肢相距较远者）和缀板（用于荷载较小者） 实轴和虚轴,缀件的作用（分肢间的整体工作和减小分肢的计算长度）及缀件与柱的连接（焊接，缀条和柱肢的轴心应汇交于一点）,格构式柱的横隔,为了避免柱肢局部受弯和提高柱的抗扭刚度，保证柱子在运输和安装过程中的截面形状不变，应在受有较大水平力处和运输单元的端部设在横隔，横隔的间距不得大于柱子较大宽度的9倍或8m。横隔可采用钢板或交叉角钢,2. 轴心受压格构式柱的计算,1) 整体稳定计算 a. 格构式构件整体稳定性的特点 取决于对虚轴的稳定性 必须考虑剪切变形对稳定承载力的影响 用加大长细比来考虑剪切变形对稳定承载力的影响，加大后的长细比称为换算长细比。,b. 格构柱绕虚轴的换算长细比,双肢缀条柱,规范规定的斜缀条和构件轴线的夹角=4070，否则，应按下式计算,双肢缀板柱,为分肢对最小刚度轴1-1的长细比， 其中计算长度 为相邻两缀板间的净距（缀板和 分肢焊接时）或最近边缘螺栓间的距离（缀板与 边缘螺栓连接时）。此处i1为分肢绕平行于虚轴方向的 形心轴的回转半径。,四肢格构式构件,缀件为缀条的三肢组合构件,2） 分肢的稳定计算,可视为单独的轴心受压实腹式构件，按两缀条或缀板间的长细比 计算，如满足下列要求，对分肢的稳定性和强度可不另作验算。,对于缀条式格构构件,对于缀板柱 25 （max50时） 或 0.5max （max =5080） 或 40 (max80时),3）缀板和缀条的计算,轴心受压格构式构件的横向剪力,格构式构件的横向剪力由相应的缀材面承受,缀条的设计,缀条体系：单系缀条和交叉缀条,按平行弦桁架计算缀条的内力，一根斜缀条的轴心力为：,交叉缀条体系的横缀条按轴心受压计算,缀板的设计,缀板的内力,据此验算缀板的弯曲和剪切强度,缀板的净距由分肢的稳定和强度条件确定： 缀板的刚度要求：同一截面处两侧缀板线刚度之和不得小于构件较大分肢线刚度的6倍。缀板一般取纵向高度 ，厚度 和6mm。 缀板与肢体间用角焊缝连接，共同承受Mb1和Vb1的作用。搭接长度一般可采用203