钢结构设计原理之构件截面承载力-强度

第3章构件截面承载力—强度钢结构承载能力的三种形式：构件截面承载能力：在荷载作用下截面的应力与构件材料相应强度值的比较，即强度单个构件的承载能力：构件的稳定性，与构件的刚度有关整体结构的承载能力：与抗侧力构件的刚度有关或与结构体系中压杆、压弯构件有关3.1轴心受力构件的强度和截面选择

1、轴心受力构件的应用：分类：轴心受压构件、轴心受拉构件应用：桁架：钢屋架、托架、吊车梁以及制动桁架；塔架：电视塔、气象塔、输电线路塔；网架：平面网架、空间网架；柱：操作平台柱、抗风柱；各种支撑结构：屋面支撑、柱间支撑以上各种结构中的每一根杆件均为轴心受力构件。3.塔架1.桁架2.网架轴心受压柱实腹式轴压柱与格构式轴压柱二、轴心受压构件的截面形式截面形式可分为：实腹式和格构式两大类。1、实腹式截面2、格构式截面截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。3、截面选择的基本原则：满足强度所需的截面面积；满足刚度的要求；制作简便；便于连接三、轴心受力构件的强度和刚度

强度计算（承载能力极限状态）

N—轴心拉力或压力设计值；

An—构件的净截面面积；

f—钢材的抗拉强度设计值。轴心受压构件，当截面无削弱时，强度不必计算。轴心受力构件轴心受拉构件轴心受压构件强度

（承载能力极限状态）刚度

（正常使用极限状态）强度刚度

（正常使用极限状态）稳定（承载能力极限状态）轴心受压构件的强度计算当压杆截面无孔洞时，构件承载力是由稳定来控制，此时强度可不计算；当压杆截面有孔洞时，构件承载力可由强度来控制，此时即要计算净截面强度又要计算杆件的稳定性；梁——承受横向荷载的受弯实腹式构件格构式梁——桁架一、类型3.2梁的类型和强度按制作方法分：型钢梁、组合（截面）梁楼盖梁平台梁按功能分吊车梁檩条墙架梁等1.型钢梁2.组合梁3.单向弯曲梁与双向弯曲梁4.梁的计算内容正常使用极限状态刚度(计算挠度小于允许挠度)承载能力极限状态强度抗弯强度抗剪强度局部压应力折算应力整体稳定局部稳定构件的疲劳验算：直接承受动力荷载的梁，当n>5×104次时应进行计算。梁的正应力：以工字型截面为例，纯弯曲的简支梁的M-ω曲线。有四个阶段：1）弹性工作阶段2）弹塑性工作阶段3）塑性工作阶段4）应变硬化阶段梁的弯曲、剪切强度(一)抗弯强度1.工作性能（1）弹性阶段

x

xσfy弹性阶段的最大弯矩:注：需进行疲劳验算的梁以此作为承载能力极限状态；冷弯薄壁梁也以此作为承载能力极限状态(2)弹塑性阶段

x

xσfyaafyfy分为

和

两个区域。

梁翼缘边缘纤维应力已达到屈服点，开始形成塑性区，并从翼缘开始逐步向中和轴发展。靠近中和轴部分腹板面积仍保持弹性阶段。这时所增加的外力ΔM全部由弹性区来承受。普通钢结构的受弯构件就是以这个阶段作为承载力极限状态。此时只考虑部分截面塑性发展。

x

xσfyaafyfy(3)塑性工作阶段弹性区消失，形成塑性铰。是钢结构进行塑性设计的依据。此时截面出现塑性铰，Mxp即为塑性铰弯矩。塑性灭铰弯赴矩贯与弹岩性最幻玉大弯显矩福之练比:只取决于截面几何形状而与材料的性质无关的形状系数。对X轴对Y轴XXYYA1Aw（4）掌应变硬素化阶段梁翼缘陵的强度荣有所增次加，但属在计算瓦时不利堂用这一队阶段的雄强度值单，作为强度隔储备扑。2.费抗弯遣强度厌计算梁设计擦时只是占有限制攻地利用珍截面的河塑性，祖如工字英形截面葱塑性发情展深度王取a≤症h/8杀。(1倚)单停向弯欣曲梁(2索)双塑向弯套曲梁

x

xaafy式中：截面郊塑性暖发展符系数遭，对净于工撑字形录截面面梁:其他黄截面滤见表柄3-闹4。当翼谣缘外夜伸宽及度b辨与其洒厚度t之比满沟足:时，需要乓计算建疲劳木强度蹲的梁淋:XXYYbt（二远）抗趟剪强正度VmaxMmaxtmax

x

x在荷载院作用下碑梁截面听既有弯矩又有剪力（纯弯询曲梁除文外），毯截面既源有正应法力又有传剪应力师。对热轧孟型钢，由眠于其铁腹板朱较厚买，若库腹板哀无孔被洞或佳截面艇削弱尘，一配般情铁况下怎不验店算剪提应力旦；（三踩）局臭部压盟应力当梁筑的翼分缘受易有沿伙腹板孝平面斤作用捧的固定集而中荷载且荷载潜处又未劲设置支六承加劲粉肋时，猎或有移动的外集中荷波载时，芒应验否算腹霸板高阻度边口缘的痰局部承压是强度粒。F——集秋中力,狐对动力祝荷载应嘱考虑动找力系数谁；——集中荷载增大系数，重级工作制吊车为1.35，其他为1.0；lz--集村中荷载涉在腹板诊计算高眉度边缘包的假定链分布长贸度：a--仆集中祸荷载陵沿梁颠跨度诊方向湿的支咬承长兴度，区对吊济车轮五压可取为5清0mm秀；hy--自蚂梁承载寇边缘到草腹板计供算高度蚂边缘的昌距离；hR--酬轨道遗的高胀度，绒计算模处无猜轨道龙时取冷0；a1--梁阀端到支届座板外扫边缘的忧距离，菊按实际肺取，但脸不得大于棕2.添5hy。梁端翼支座旅反力知：跨中集奇中荷载锐：腹板衔的计谜算高倾度ho的规浇定：1．士轧制诞型钢御，两演内孤剧起点鲁间距马;2．焊义接组合方截面，证为腹板姥高度;3．致铆接蜜时为给铆钉阁间最闹近距湾离。hobt1hobt1ho当验眉算不信满足勒时应倡采取股措施推：1、设丧置横向胡加劲肋构；（固定季集中滋荷载）2、加村大腹板草厚度；桐（移动集帮中荷载）（四）圾组合应狐力（折缓算应力珠）同一稍截面的同一部树位有多种夺应力状书态时，嫩是否满面足强度妇要求。以工输字型淹截面财为例吊：σma啄x（边缘）、τma效x（中和袜轴）是同一截栋面的不每同部位。此泻外任缓一部专位都锐有σ、τ，找最污不利的灿部位。应带各自符号，拉为正。计算折算应力的设计值增大系数。异号时，同号时或

原因送：1族．只慈有局颂部某独点达馋到塑荡性2．异往号应力豪场有利玻于塑性余发展—询—提高厉设计强稀度组合闷应力线验算道时应偷注意吐：式3灾-3误1、给32幅适用雄于外役荷载椒通过馒截面剪心的情况肾；必须途是同一冤截面冶同一烟部位的σ、ι、σc；式3-悼31、因32应遮用于特易定截面双、特定摆部位如：沿梁转长度幅方向：支座伟处、集预中力作摆用处；久变截面猛梁截面把改变处桌,均布运载荷不树连续的利截面；沿梁高粗度方向：翼赠缘和递腹板责交界挺处；为什么撇普通钢许结构中索钢梁的跌强度不喉利用完稀全塑性脚而只考叔虑部分壤截面的挣塑性变归形？当截庭面发期生塑代性变熔形时棍，将害使梁宾的挠度增大而朽不满足胜正常使饱用的要愿求；梁翼缘笛与腹板井交接处视的折算漫应力会太大而不粗满足做要求务；对梁的整体稳套定和局塞部稳定不利恼。《规范勾》规定德梁的正栽应力计炕算公式仆见第5塌4页。3.所4参按强叠度条在件选薪择梁央截面有一加个前监提条虫件：布当梁此的整体稳害定满足犹要求时“吗可以据通过育强度公条件俭选择靠梁截鉴面”封。初选预截面热轧型黎钢（用欠于跨浅度不眯是很韵大的扯情况否）：利用袍公式焊接截躺面（用水于跨度倍和荷载渡都较大朋的情况辜）：一、截迁面选择原则：剂强度、拥稳定、栽刚度、化经济性岩等要求1、局截面浸高度（1么）容汁许最罚大高冰度hmax—净串空要逢求；（2）带容许最潮小高度hmi献n由刚度担条件确扮定，以汤简支梁柏为例：（3云）梁扛的经遇济高炒度he经验漂公式村：综上所赞述，梁绵的高度滤应满足藏：2、腹板高厘度hw因翼芝缘厚挂度较贩小，督可取hw比h稍小善。hw<1凳m时弄，取羡50双的倍沫数，浩（以催mm塘计）hw>1再m时见，取滋10毙0的追倍数克，（弦以m哗m计袭）3、腹板搞厚度tw由抗围剪强吨度确参定：一般按惨上式求铃出的tw较小秤，可添按经泊验公干式计女算：构造坐要求博：一般bf以10型mm为党模数，t以2林mm胀为模满数。确定bf、t尚应梁考虑破板材茧的规朋格及狂局部昆稳定展要求必。bfhwh1httwxx4、翼敢缘尺寸渠确定：由Wx及腹板回截面面抹积确定事。确定翼拍缘的宽度bf和厚度t：构造逢要求称：1）t取2的决倍数，b取1船0的灾倍数神；bmin=180薯mm（一般示梁）30愉0m获m(吊狠车梁锡）2)岂并应尽门量宽一区些，有饮利于梁平的稳定臭；3）满运足局部尊稳定的斥要求：二、魄截面谦验算截面赠确定赖后，慢求得问截面竭几何赞参数IxWxIyWy等。1、强御度验算骨：抗弯猪强度、锤抗剪强枪度、局瓜压强度冰、折算应力饮；2、糠整体饭稳定甩验算捏；3、耳局部触稳定积验算仿，对反于腹刑板一标般通双过加铜劲肋亏来保洒证4、刚圾度验算旱；5、动慰荷载作剩用，必铃要时尚掘应进行捐疲劳验夺算。应注意：截面暮验算时恼应将梁的自齿重加进去丢。三、仆组合故梁截绝面沿绞长度国的改腾变截面M沿l改变，专为节约纷钢材，政将M较小区鸡段的梁激截面减批小，截南面的改钳变有两惨种方式乓：1、改袖变翼缘列板截面指受强舌度控制五的焊接呈截面，可以垃沿梁的神长度方坦向变化析。主要选用在实腹碑式焊锣接吊帆车梁。bfbf’12.5（4)（a）（b）l~l/6~l/6M1M1M（1蜂）单见层翼盼缘板敬，一暑般改斧变bf，而t不变，和做法如悲图：（2德）多沸层翼艳缘板巩，可荡采用险切断邻外层纱翼缘但板的骡方法衣，断族点望计算凤确定转，做虾法如劝图：为了保封证，断取点处能氧正常工液作，实吓际断点闷外伸长考度l1应满足覆：lM1M1l1l11）端悔部有正面消角焊缝时：当hf≥0.研75t1时：l1≥b1当hf<途0.获75t1时：l1≥1.顾5b12）端上部无正面纹角焊缝时：l1≥2b1b1、t1——外层翼卖缘板的酱宽度和钻厚度；hf——焊筹脚尺寸嚷。lM1M1l1l12、顶改变发梁高赶具体冶做法畅如图奴：h≥h/2h≥h/2抵紧焊接l/6~l/5端部腹旦板高度选应满足抗剪强域度的要膝求；梁端部高倦度不小箱于梁今高的裁一半如；转折炮点的距离唇为（1普/5~眯1/6筑）梁的救跨度；转折点除处腹板敬设横向缺加劲镜肋。梁的扭劳转自由扭呜转：截射面之盘间无瞎约束肿，可柜以自兄由翘缴曲，答纵向袍纤维他无轴厅向应洋变，搞截面只有蔬剪应孕力。其计固算公狸式为弊3-炉11婶、3框-1缘瑞2；从式3烫-11茅中可知边，It愈大肯，则孙抗扭虾刚度GIt也愈大大，抗扭疫性能就微愈好。将截席面面牧积相缩慧同的琴工字扬型截敬面和鸟箱形戒截面盛进行赠比较军。约束扭且转：杆著件端抓部的塞支承驴使截安面之说间互虎相约污束，文其截呼面的汽翘曲疯变形幻玉受到蜻约束跪，纵稿向纤研维有勿轴向槽拉伸悠或压男缩，舍截面征除有剪应力外，慌还有正应胞力。引起验截面侄剪应微力的撇扭矩洞有两石部分庸组成铃：自由合扭转怠力矩和约束扭稍转力矩。其计算步公式为盾3-2醉7。约束扭币转正应挥力的计惠算公式单见第6唉1页。3.斤5动梁的费内力掩重分漆布和壤塑性痛设计内力重促分布：竟对超静涝定结悔构，截江面出响现塑性岔铰后，六随着熊荷载熟的增茫加，疯结构理内力伤重新娇分布聪，使盒其他躲截面青出现移塑性怪铰，孕直至花形成胸机动怕结构圈。塑性赴设计竹：就抄是利运用内品力重毯分布吃，使俱截面脉达到伍材料擦的屈卷服强孝度，他充分音发挥剩材料辰的潜膛能。钢材性险能要满升足以下学要求：1）δ5≥15%；2）εu≥20εy；3)fu/fy≥1.阶2塑性设糊计适用觉范围：柿不直接舅承受动沫荷载的稻超静定倍梁；由实目腹构献件组怖成的安单层料和两尸层框暗架。3.6所拉弯丧、压弯润构件的元应用和桃强度计伪算一、应今用一般臂工业覆厂房牢和多负层房喂屋的扰框架栏柱均利为拉弯冬和压脱弯构尺件。NMNe二、截给面形式实腹式拉弯皂构件更的截面出转现塑性眠铰是承淡载能厅力的声极限办状态羊；对格构仪式拉弯杆蓝绕虚轴锻受弯和冷弯薄摇壁型钢截面勾拉弯杆垫，把截面边画缘达到阶屈服强芹度视为喜构件流极限得状态躲，以宴上属成于强度破健坏形式付；对轴寄心拉扩力很头小而使弯矩经很大剂的拉假弯杆雅也可俘能存萍在和故梁类绣似的弯扭失叼稳的破吼坏形风式。拉弯跑构件煮破坏飘形式压弯构悟件的破坏形祸式取决纸于杆挖的受力岁条件，杆章的长度，支承淋条件、截面叫的形说式和尺寸等。对枕粗短杆圈和截面吹有严重汉削弱的瘦杆可能招产生强度破矮坏，此外紧大多数蜜压弯构幕件总是整体永失稳温破坏。组成盐压弯构移件的板谈件，还映有板件饥屈曲将炼促使构容件提前喇失稳的局部幻玉失稳看破坏。三、棵计算嘱内容拉弯晒构件：承载能献力极限躬状态：强度正常使肺用极限革状态：刚度强度稳定实腹式

格构式

弯矩作用在实轴上弯矩作用在虚轴上(分肢稳定)整体稳定局部稳定平面内稳定

平面外稳定

承载村能力黎极限刻状态正常使甘用极限箭状态刚度压弯构嫂件：3.绘6.喷2拉弯久和压脂弯构择件的将强度一、截数面应力喇的发展以工字泥形截面坑压弯构厌件为例：hhwAfAfAwFy(A)(A)颈弹性工风作阶段HHNhhwAfAfAwfy(A)fy(B)fyfy(C)fyfy(D)(D爬)塑歼性工触作阶窃段—塑性兔铰(箩强度诉极限漂)(B)厅最大压膏应力一俱侧截面独部分屈涂服(C乞)截翁面两吨侧均抛有部翻分屈摔服ηhηhh-2ηh（A）案整个截肚面处于弹性状