第17鋼結構基本構件

1、項目項目4 鋼結構基本構件的設計 鋼結構的基本構件有軸心受力構件、受彎構件和拉彎、壓彎構件。普通鋼結構中，一般受力構件及其連接中不應采用厚度小于5mm的鋼板，厚度不小于3mm的鋼管，截面小于 L 45X4或L 56X 36X4的角鋼(焊接結構)和截面小于L 50 x5的角鋼(螺栓連接或鉚釘連接的結構)。輕型鋼結構采用圓鋼或小角鋼(小于L 45X4或L 56x36X4)制作，受力構件及其連接中不宜采用厚度小于4mm的鋼板；圓鋼直徑不宜小于12mm(對于屋架)，8mm(對于檁條或拉條)，16mm(對于支撐)。1.軸心受力構件 (1)軸心受力構件的應用和截面形式 軸心受力構件包括軸心受拉構件和軸心受

2、壓構件，也包括軸心受壓柱。 在鋼結構中，屋架、托架、塔架和網架等各種類型的平面或空間桁架以及支撐系統，通常均為軸心受拉和軸心受壓構件組成。 工作平臺、多層和高層房屋骨架的柱、承受梁或桁架傳來的荷載、當荷載為對稱布置且不考慮水平荷載時，屬于軸心受壓柱。柱通常由柱頭、柱身和柱腳三部分組成(圖12.4.1)。 圖12.4.1 柱組成 (a)實腹式柱；(b)格構式柱(綴板式)； (c)格構式柱(綴條式) 在普通桁架、塔架、網架及其支撐系統中的桿件常采用圖12.4.2所示的截面形式。軸心受壓柱以及受力較大的軸心受力構件采用圖12.4.3所示的截面形式，其中圖12.4.3(a)為實腹式構件，圖12.4.3

3、(b)為格構式構件。圖12.4.2普通桁架桿件的截面形式圖12.4.3 柱和重型桁架桿件的截面形式軸心受拉構件 1)強度 軸心受拉構件的強度按下式計算： 2)剛度 軸心受拉構件的剛度通常用長細比入來衡量，長細比是構件的計算長度L0與構件截面回轉半徑i的比值，長細比愈小，構件剛度愈大，反之則剛度愈小。 (3)實腹式軸心受壓構件的計算實腹式軸心受壓構件的計算 實腹式軸心受壓構件的計算包括實腹式軸心受壓構件的計算包括強度、整體穩(wěn)定、局強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度部穩(wěn)定和剛度四個方面的內容。四個方面的內容。 1)強度強度 軸心受壓構件的強度計算公式同軸心受拉構件一樣，但軸心受壓構件的強度計算公式同軸

4、心受拉構件一樣，但式中式中N為為 軸心壓力設計值，軸心壓力設計值，f為鋼材抗壓強度設計值。為鋼材抗壓強度設計值。 2)整體穩(wěn)定整體穩(wěn)定 軸心受壓構件整體穩(wěn)定按下式計算：軸心受壓構件整體穩(wěn)定按下式計算： 3)局部穩(wěn)定局部穩(wěn)定 實腹式組合截面實腹式組合截面(如工字形、箱形等如工字形、箱形等)的軸心受壓構件的軸心受壓構件都是由板件組成，如果這些板件過薄，則在均勻壓應力都是由板件組成，如果這些板件過薄，則在均勻壓應力作用下，將偏離其正常位置而形成波形屈曲，這種現象作用下，將偏離其正常位置而形成波形屈曲，這種現象稱稱局部失穩(wěn)局部失穩(wěn)(圖圖12.4.4)。 規(guī)范規(guī)范對實腹式組合截面的軸心受壓構件的局部穩(wěn)對

5、實腹式組合截面的軸心受壓構件的局部穩(wěn)定采取定采取限制板件寬限制板件寬(高高)厚比厚比的辦法來保證。的辦法來保證。 4)剛度剛度 軸心受壓構件的剛度同軸心受拉構件一樣用軸心受壓構件的剛度同軸心受拉構件一樣用長細比長細比來來衡量。衡量。圖12.4.4 實腹式軸壓構件 局部屈曲（a）腹板屈曲 （b）翼緣屈曲2. 受彎構件(梁) (1)受彎構件的應用及截面形式受彎構件的應用及截面形式 受彎構件是用以承受橫向荷載的構件，也稱之為受彎構件是用以承受橫向荷載的構件，也稱之為梁，應用很廣泛。例如建筑中的梁，應用很廣泛。例如建筑中的樓樓(屋屋)蓋梁、檁條、蓋梁、檁條、墻架梁、工作平臺墻架梁、工作平臺 梁以及吊車

6、梁梁以及吊車梁等。等。 梁按受力和使用要求可采用梁按受力和使用要求可采用型鋼梁型鋼梁和和組合梁組合梁。 型鋼梁型鋼梁通常采用熱軋工字鋼和槽鋼通常采用熱軋工字鋼和槽鋼(圖圖12.4.5a，b)，荷載和跨度較小時，也可采用冷彎薄壁型鋼荷載和跨度較小時，也可采用冷彎薄壁型鋼(圖圖12.4.5c，d)，但因截面較薄，對防腐要求較高。，但因截面較薄，對防腐要求較高。 組合梁組合梁由由鋼板用焊縫或鉚釘或螺栓連接而成鋼板用焊縫或鉚釘或螺栓連接而成。其截面。其截面組織較靈活，可使材料在截面上的分布更為合理，用料組織較靈活，可使材料在截面上的分布更為合理，用料省。用三塊鋼板焊成的工字形組合梁省。用三塊鋼板焊成的

7、工字形組合梁(圖圖12.4.5e)，構造，構造簡單、制作方便，故應用最為廣泛。承受動荷載的梁，簡單、制作方便，故應用最為廣泛。承受動荷載的梁，如鋼材質量不滿足焊接結如鋼材質量不滿足焊接結 構要求時，可采用鉚接或高強構要求時，可采用鉚接或高強度螺栓連接度螺栓連接(圖圖12.4.5f)。當梁的荷載很大而其截面高度。當梁的荷載很大而其截面高度受到受到 限制，或抗扭要求較高時，可采用箱形截面限制，或抗扭要求較高時，可采用箱形截面(圖圖12.4.5g)。圖12.4.5 梁的截面形式 (2)梁的計算 梁的計算包括強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度四個方面的內容。 1)強度 梁在橫向荷載作用下，在其截面中將產生

8、彎曲正應力和剪應力(圖12.4.6)，梁的截面通常由抗彎強度和抗剪強度確定。圖12.4.6 梁的內力與截面應力分布 (a)抗彎強度(正應力)計算 梁的抗彎強度按下式計算： (b)抗剪強度(剪應力)計算 梁的抗剪強度按下式計算：yxxnxynyMMfWW 2)整體穩(wěn)定 如圖12.4.7，梁在最大剛度平面內彎曲(繞x軸彎曲)，當受壓翼緣的彎曲應力達到某一值后，就會出現平面的彎曲和扭轉，最后使梁迅速喪失承載力，這種現象稱梁喪失整體穩(wěn)定。梁喪失整體穩(wěn)定時的荷載一般低于強度破壞時的荷載，且失穩(wěn)破壞是突然發(fā)生的，危害性大。因此，除計算梁的強度外，還必須驗算其穩(wěn)定性。穩(wěn)定計算公式為： 提高梁整體穩(wěn)定性的措施

9、提高梁整體穩(wěn)定性的措施 梁的整體穩(wěn)定承載力與梁梁的整體穩(wěn)定承載力與梁的側向剛度的側向剛度(EIy)、受壓翼、受壓翼緣的自由長度等因素有關。緣的自由長度等因素有關。加大側加大側 向剛度或減小受壓翼向剛度或減小受壓翼緣自由長度都可以提高梁的緣自由長度都可以提高梁的整體穩(wěn)定性。具體措施是：整體穩(wěn)定性。具體措施是：加大梁受壓加大梁受壓 緣寬度；在受壓緣寬度；在受壓翼緣平面內設置支承以減小翼緣平面內設置支承以減小其自由長度。其自由長度。圖12.4.7 梁的整體失穩(wěn) 3)局部穩(wěn)定局部穩(wěn)定 從經濟的觀點出發(fā)，設計組合梁截面時總是力從經濟的觀點出發(fā)，設計組合梁截面時總是力求采用高而薄的腹板以增大截面的抗彎剛度

10、；采求采用高而薄的腹板以增大截面的抗彎剛度；采用寬而薄的翼緣板以提高梁的整體穩(wěn)定。用寬而薄的翼緣板以提高梁的整體穩(wěn)定。但當鋼但當鋼板過薄時，板過薄時，腹板或受壓翼緣在尚未達到強度限值腹板或受壓翼緣在尚未達到強度限值或喪失整體穩(wěn)定之前，或喪失整體穩(wěn)定之前，就可能發(fā)生波曲或屈曲而就可能發(fā)生波曲或屈曲而偏離其正常位置偏離其正常位置，這種現，這種現 象稱梁的局部失穩(wěn)。梁象稱梁的局部失穩(wěn)。梁的局部失穩(wěn)會惡化梁的整體工作性能，必須避免。的局部失穩(wěn)會惡化梁的整體工作性能，必須避免。 為保證梁受壓翼緣的局部穩(wěn)定，應滿足：式中 b1、t一分別為受壓翼緣的外伸寬度和厚度。 為保證梁腹板的局部穩(wěn)定，較為經濟的辦法是

11、設置加勁肋(圖12.4.8)。 4)剛度 梁的剛度用變形(即撓度)來衡量，變形過大會影響正常使用，同時也給人帶來不安全感。 梁的剛度應滿足：圖12.4.8 采用加勁肋的梁3. 拉彎和壓彎構件（偏心受力構件） 拉彎和壓彎構件拉彎和壓彎構件的應用及截面形式的應用及截面形式 拉彎和壓彎構件是指同時承受軸心拉力或軸心拉彎和壓彎構件是指同時承受軸心拉力或軸心壓力及彎矩的構件，也稱為偏心受拉或壓力及彎矩的構件，也稱為偏心受拉或 偏心受壓構偏心受壓構件。件。 鋼結構中常采用拉彎和壓彎構件，尤其是壓彎鋼結構中常采用拉彎和壓彎構件，尤其是壓彎構件的應用更為廣泛。例如構件的應用更為廣泛。例如單層廠房的柱、多層或單

12、層廠房的柱、多層或高層房屋的框架柱、承受不對稱荷載的工作平臺柱、高層房屋的框架柱、承受不對稱荷載的工作平臺柱、支架柱等。桁架中承受節(jié)間荷載的桿件支架柱等。桁架中承受節(jié)間荷載的桿件則常是壓彎則常是壓彎或拉彎構件?；蚶瓘潣嫾?。 (1)拉彎構件的計算拉彎構件的計算 拉彎構件的計算一般只需要拉彎構件的計算一般只需要考慮強度和剛度考慮強度和剛度兩個方面。兩個方面。但對以承受彎矩為主的拉彎構件，當截面一側最外纖維但對以承受彎矩為主的拉彎構件，當截面一側最外纖維發(fā)生較大的壓應力時，則也應考慮和計算構件的發(fā)生較大的壓應力時，則也應考慮和計算構件的整體穩(wěn)整體穩(wěn)定以及定以及受壓板件的受壓板件的局部穩(wěn)定性。局部穩(wěn)定

13、性。 1)強度強度 拉彎構件的截面上，拉彎構件的截面上，除有軸心拉力產生的拉應力外，除有軸心拉力產生的拉應力外，還有彎矩產生的彎曲應力，還有彎矩產生的彎曲應力，構件截面的應力應為兩者之構件截面的應力應為兩者之和和(圖圖12.4.9)。截面設計時，應按截面上最大正應力計。截面設計時，應按截面上最大正應力計算強度算強度:圖12.4.9 拉彎構件截面應力分布 2)剛度剛度 拉彎構件的剛度計算與軸心受拉構件相同，其容許拉彎構件的剛度計算與軸心受拉構件相同，其容許長細比長細比也相同。也相同。 (2)壓彎構件的計算壓彎構件的計算 實腹式壓彎構件的計算包括強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)實腹式壓彎構件的計算包括強度、

14、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度四個方面的內容。實腹式壓彎構件截面形式見定和剛度四個方面的內容。實腹式壓彎構件截面形式見圖圖12.4.10。 1)強度強度 壓彎構件的強度計算同拉彎構件一樣，但壓彎構件的強度計算同拉彎構件一樣，但N為軸心壓為軸心壓力的設計值。力的設計值。圖12.4.10 實腹式壓彎構件截面形式 2)整體穩(wěn)定整體穩(wěn)定 壓彎構件的承載力通常是由穩(wěn)定性來決定的壓彎構件的承載力通常是由穩(wěn)定性來決定的。 (圖圖 12.4.11)。在。在N和和M。共同作用下，一開始構件。共同作用下，一開始構件就在彎矩作用平面內發(fā)生變形，呈彎曲狀態(tài)，當就在彎矩作用平面內發(fā)生變形，呈彎曲狀態(tài)，當N和和M。同時增加到一

15、定值時則達到極限，超過此極限，。同時增加到一定值時則達到極限，超過此極限，構件的內外力平衡被破壞，表現出構件不再能夠抵構件的內外力平衡被破壞，表現出構件不再能夠抵抗外力作用而被壓潰，這種現象稱為構件在抗外力作用而被壓潰，這種現象稱為構件在彎矩作彎矩作用平面內喪失整體穩(wěn)定用平面內喪失整體穩(wěn)定(圖圖12.4.11a)。圖12.4.11壓彎構件兩種 整體屈曲(兩端鉸接)(a)彎矩作用平面內(彎曲)屈曲；(b)彎矩作用平面外(彎扭)屈曲 對側向剛度較小的壓彎構件，當對側向剛度較小的壓彎構件，當N和和M。增加到。增加到一定值時，構件在彎矩作用平面外不能保持平直，一定值時，構件在彎矩作用平面外不能保持平直，突然發(fā)生平面外的彎曲變形，并伴隨截面繞縱軸的突然發(fā)生平面外的彎曲變形，并伴隨截面繞縱軸的扭轉，從而喪失承載力，這種現象稱為構件在扭轉，從而喪失承載力，這種現象稱為構件在彎矩彎矩作用平面外喪失穩(wěn)定作用平面外喪失穩(wěn)定(圖圖12.4.11b)。 壓彎構件需要進行彎矩作用平面內和彎矩作用平壓彎構件需要進行彎矩作用平面內和彎矩作用平面外的穩(wěn)定計算，計算較復雜。有關整體穩(wěn)定計算，面外的穩(wěn)定計算，計算較復雜。有關整體穩(wěn)定計算，參照參照規(guī)范規(guī)范有關規(guī)定。有關規(guī)定。 3)