第20章-轴心受力构件

第20章轴心受力构件20.1轴心受力构件的截面形式

轴心受力构件是指只承受通过构件截面形心的轴向力作用的构件。它分为轴心受拉构件和轴心受压构件两类，广泛应用于网架、网壳、桁架、屋架、托架和塔架等各类承重体系以及支撑体系中。轴心受力构件按其截面形式，可分为实腹式构件和格构式构件两种。如图20-1所示。实腹式截面具有整体连通的截面，常见的有三种截面形式。第一种是热轧型钢截面，有圆钢、圆管、方管、角钢、槽钢、工字钢、宽翼缘H型钢、T型钢等，其中最常用的是工字形或H形截面；第二种是冷弯型钢截面，有卷边和不卷边的方管、角钢和槽钢；第三种是型钢或钢板连接而成的组合截面。第20章轴心受力构件图20-1轴心受压柱的截面形式第20章轴心受力构件第20章轴心受力构件

格构式构件一般由两个或多个分肢用缀件连接而成，常用的是双肢格构式构件。通过分肢腹板的主轴称为实轴，通过分肢缀件的主轴称为虚轴。分肢通常采用轧制槽钢或工字钢，承受荷载较大时可采用焊接工字钢或槽形组合截面。缀件设置在分肢翼缘两侧平面内，其作用是将各分肢连成整体，使其共同受力，并承受绕虚轴弯曲时产生的剪力。实腹式构件比格构式构件构造简单，制造方便，整体受力和抗剪性能好，但截面尺寸较大时耗钢量多；而格构式构件容易实现两个主轴方向的等稳定性，刚度较大，抗扭性能较好，用料较省。20.2轴心受力构件的强度及刚度

由钢材的应力-应变曲线可知，轴心受力构件的强度承载能力极限状态应是截面的平均应力达到钢材的屈服强度fy。《钢结构设计标准》规定净截面的平均应力不应超过钢材的强度的设计值，因此，轴心受力构件的强度计算公式为:一、轴心受力构件的强度第20章轴心受力构件二、轴心受力构件的刚度

为满足正常使用要求，必须保证轴心受力构件具有一定的刚度。当构件刚度不足时，在自身重力作用下，会产生过大的挠度，并且在运输和安装过程中容易造成弯曲，在承受动力荷载的结构中，还会引起较大晃动。轴心受力构件的刚度是通过限制构件长细比来保证的，《钢结构设计标准》对刚度的要求是第20章轴心受力构件第20章轴心受力构件注：①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。②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，应采用角钢的最小回转半径；在计算单角钢交叉受拉杆件平面外的长细比时，应采用与角钢肢边平行轴的回转半径。③中级、重级工作制吊车桁架下弦杆的长细比不宜超过200。

④在设有夹钳吊车或刚性料耙吊车的厂房中，支撑（表中第2项除外）的长细比不宜超过300。⑤受拉构件在永久荷载与风荷载组合作用下受压时，其长细比不宜超过250。⑥跨度等于或大于60m的桁架，其受拉弦杆和腹杆的长细比不宜超过300（承受静力荷载或间接动力荷载）或250（直接承受动力荷载）。第20章轴心受力构件

第20章轴心受力构件项次构件名称容许长细比1柱、桁架和天窗架中的杆件150柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑2支撑（吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑除外）200用以减少受压构件长细比的杆件表20-2受压构件的容许长细比

注：①桁架（包括空间桁架）的受压腹杆，当其内力等于或小于承载能力的50%时，容许长细比可取200。②单角钢受压构件长细比的计算方法与表20-1注②相同。③跨度等于或大于60m的桁架，其受压弦杆和端压杆的容许长细比宜取100，其他受压腹杆可取150（承受静力荷载或间接动力荷载）或120（直接承受动力荷载）。第20章轴心受力构件20.3实腹式轴心受压构件的稳定一、轴心受压构件的整体稳定

1.实际轴心受压构件的受力性能

实际轴心受压构件的屈曲(失稳）性能受到初始缺陷和杆端约束的影响，初始缺陷主要有初弯曲、初偏心、残余应力等，它们使轴心受压构件的稳定承载能力降低；杆端约束使轴心受压构件的稳定承载能力提高。

第20章轴心受力构件

轴心受压构件的受力性能与轴心受拉构件差别很大，轴心受压构件除了较为短粗或截面有很大削弱时，可能因其净截面的平均应力达到屈服强度而丧失承载能力破坏外，一般情况下，轴心受压构件的承载能力是由稳定条件决定的。国内外因压杆突然失稳导致结构物倒塌的重大事故屡有发生，需要加以重视。

不同杆端约束的轴心受压构件同样可以按二阶弹性分析计算。把不同约束的轴心压杆等效为跨度为l0的两端铰接轴心压杆，设该杆临界荷载与原来杆件（有不同约束）的临界荷载相等，由此计算出l0与原来杆件跨度的关系：l0=μl，这样原来杆件的临界荷载就可用l0算得，即第20章轴心受力构件20-4表20-3中μ的理论值是按理想的支撑条件求出的，考虑到实际支撑条件与理想支撑条件的差别。因此对理论值加以修正并给出建议值，供实际设计使用。第20章轴心受力构件表20-3轴心受压构件计算长度系数μ

2.实际轴心受压构件的实用计算方法《钢结构设计标准》对于弯曲屈曲采用具有初弯曲及残余应力的杆件，按二阶弹塑性分析来确定其稳定承载能力。轴心受压构件的整体稳定计算公式为第20章轴心受力构件20-5第20章轴心受力构件

在式（20-5）中，如何确定φ值是一个关键问题。《钢结构设计标准》对200多种杆件按不同长细比算出Nu值。由此求得φ与长细比的关系曲线，又称之为柱曲线。针对不同类型杆件，可得到200多条柱曲线。然后从中选出最常用的曲线，根据数理统计原理及可靠度分析，将其中数值相近的截面分别规并成a、b、c、d四条曲线，如图20-3所示。这四条曲线各代表一类截面,见表20-4和表20-5。四类截面中，a类稳定性较好，c类、d类较差，b类居中，大部分截面形式和对应轴均属于b类。第20章轴心受力构件图20-3柱曲线第20章轴心受力构件第20章轴心受力构件第20章轴心受力构件二、实腹式轴心受压构件的局部稳定

钢结构构件通常由一些板件组成，轴心受压构件截面设计时常选用肢宽壁薄的截面，以提高其整体稳定性，但如果这些板件的宽厚比很小，即板较薄时，在板平面内压力作用下，将可能发生平面的凹凸变形，从而丧失局部稳定。实腹式轴心受压构件因主要承受轴心压力作用，故应按均匀受压板计算其板件的局部稳定。板件失稳时的应力称为板件的临界应力或屈曲应力。

对于轴心受压构件，主要应限制板件的宽厚比不能过大，以保证在构件丧失整体稳定之前，不会发生局部失稳。即根据板的屈曲应力σcr和构件的整体稳定极限承载应力σu相等的等稳定准则，计算板件的宽厚比限值。第20章轴心受力构件1.工字形及H形截面第20章轴心受力构件第20章轴心受力构件

对于十分宽大的工字形、H形或箱形柱，当腹板的高厚比不满足式（20-7）~式（20-12）要求时，可以用纵向加劲肋加强或按截面有效宽度计算，如图20-4所示。有关纵向加劲肋的设计详见《钢结构设计标准》。对于轧制型钢，由于翼缘、腹板较厚，一般都能满足局部稳定要求，因此无须计算。在式（20-7）至式（20-12）中，各截面尺寸如下图所示。第20章轴心受力构件

【例20-2】试求如图20-6所示轴心受压柱的最大承载力。已知柱高为8m，在中部设有支撑，柱截面由3块剪切边的钢板焊成工字形（试验算其局部稳定性），在设支撑的截面上翼缘及腹板各设有d=21.5mm的孔2个，共6个孔，对称布置，钢材为Q235BF钢。图20-4腹板纵向加劲肋及有效截面图20-5例20-2图第20章轴心受力构件第20章轴心受力构件20.4实腹式轴心受压构件的构造要求第20章轴心受力构件图20-6实腹式柱的横向加劲肋第20章轴心受力构件

对大型实腹式柱，为了增加其抗扭刚度和传递集中力的作用，在有较大水平力作用处、运输单元的端部和其他需要加强截面刚度的地方应设置横隔（加宽的横向加劲肋）。横隔间距不得大于截面较大轮廓尺寸的9倍或8m。轴心受压实腹式柱板件间（如工字形截面翼缘与腹板间）的纵向焊缝只承受柱初弯曲或因偶然横向力作用等产生的很小剪力，因此不必计算，焊脚尺寸可按构造要求采用。第20章轴心受力构件20.5格构式轴心受压构件一、格构式轴心受压构件的组成

常用的格构式轴心受压柱的截面形式有槽钢或工字钢组成的双肢格构式柱。对于轴心压力较小但长度较大的构件，可以采用角钢或钢管组成的三肢、四肢格构式柱。二、格构式轴心受压构件的整体稳定性

格构式轴心受压构件需分别考虑对实轴和虚轴的整体稳定性。

1.对实轴的整体稳定性格构式双肢构件相当于两个并列的实腹式杆件，因此格构式轴心受压构件对实轴的整体稳定承载力计算和实腹式柱完全相同，可以直接用对实轴的长细比λy查附表B-7得到φ值，再由式（20-4）计算对实轴（y—y轴）的整体稳定承载力。第20章轴心受力构件三、分肢的稳定性

格构式受压构件的分肢可以看成单独的实腹式轴心受压构件，因此要求单肢不先于构件整体失去承载能力，为此《钢结构设计标准》规定单肢的稳定性不应低于构件的整体稳定性。对于缀条式构件要求λ1≤0.7λmax，对于缀板式构件要求λ1≤0.5λmax且不应大于40，当λmax＜50时，取λmax=50。

2.对虚轴的整体稳定

轴心受压构件整体弯曲后，杆内将出现弯矩和剪力，对于实腹式受压杆，由于抗剪刚度大，剪力产生的附加变形很小，因此，可以忽略剪力产生的附加变形对整体稳定承载力的影响。但对于格构式轴心受压杆绕虚轴发生弯曲失稳时，所产生的剪力由缀材承担，由此产生的附加剪切变形较大，导致构件刚度减小，整体稳定承载力