鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)

1、第19章軸心受力構(gòu)件 軸心受力構(gòu)件是指軸向力通過(guò)桿件截面形心作用的構(gòu)件，可有軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件兩類。桁架、網(wǎng)架、塔架等鉸接桿件體系結(jié)構(gòu)多由軸心受力構(gòu)件組成。鋼屋架的下弦桿和一部分腹桿、屋架的支撐以及柱間支撐多按軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)。鋼屋架的上弦桿和一部分腹桿，工作平臺(tái)、棧橋及管道支架柱，以及支承梁或桁架的軸心受壓桿，一般都按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。 軸心受力構(gòu)件的常用截面形式可有：型鋼截面、實(shí)腹式組合截面和格構(gòu)式組合截面(圖19-1。 軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用廣泛。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的要求：構(gòu)件應(yīng)力求構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便；結(jié)構(gòu)應(yīng)省鋼，造價(jià)低廉。 191 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度 軸

2、心受力構(gòu)件在軸心力設(shè)計(jì)值F作用下，在截面內(nèi)引起均勻的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，承載力極限狀態(tài)取全截面達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)y，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為f=fy/yf，當(dāng)截面有孔洞削弱時(shí)應(yīng)取凈截面積An，則軸心受力構(gòu)件截面強(qiáng)度計(jì)算公式為 Q=FAnf(19-1 單角鋼桿件或單圓鋼拉桿兩端與節(jié)點(diǎn)板采用單面連接時(shí)固有構(gòu)造偏心，為簡(jiǎn)化計(jì)算可按軸心受力構(gòu)件計(jì)算，考慮偏心產(chǎn)生的不利影響，計(jì)算時(shí)將構(gòu)件或連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以o85的折減系數(shù)。f取值見(jiàn)表11-1。 192軸心受力構(gòu)件的剛度 軸心受力構(gòu)件應(yīng)有足夠的剛度要求，以免構(gòu)件在制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大變形；在使用期間，因構(gòu)件過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，在風(fēng)荷載或動(dòng)力荷載作用下引起不必要的振

3、動(dòng)或晃動(dòng)；甚至在構(gòu)件自重作用下，因剛度不足而發(fā)生彎曲變形。根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要使軸心受力構(gòu)件第543頁(yè)第20章 受彎構(gòu)件與平臺(tái)結(jié)構(gòu) 鋼梁是一種應(yīng)用廣泛的承受橫向荷載而彎曲工作的受彎構(gòu)件。最常見(jiàn)的鋼梁有樓蓋梁、工作平臺(tái)梁、墻架梁、檁條和吊車梁等，臨時(shí)性結(jié)構(gòu)也常用型鋼梁。鋼梁按加工制作方式分型鋼梁和組合梁；型鋼梁又可分為熱軋型鋼梁和冷彎薄壁型鋼梁兩種。 鋼梁常用的截面形式如圖20-1所示。熱軋型鋼梁加工簡(jiǎn)單，成本較低應(yīng)優(yōu)先選用；冷彎薄壁型鋼梁較為經(jīng)濟(jì)，但防銹能力差，多用于跨度小、荷載輕、環(huán)境干燥的場(chǎng)合。組合梁由鋼板或型鋼連接而成，常用三塊鋼板焊接成I形和四塊鋼板焊接成箱形截面，后者具有較好的

4、抗扭剛度。組合鋼梁截面合理，但加工量大，多用于截面高度受到限制的情況。 俐梁根椐彎曲變形的不同，還分為單向彎曲梁和雙向彎曲梁。采用不同材料進(jìn)行組合的組合梁，如鋼與混凝土組合梁，可收到很好的經(jīng)濟(jì)效果。 由多個(gè)梁組成的結(jié)構(gòu)體系稱為梁格。梁格可分為簡(jiǎn)單梁格(由同一種梁排列組成；由主次梁組成的普通梁格和復(fù)雜梁格。梁格中主次梁的連接方式可有上下疊接、等高連接、低位連接和高位連接等多種形式，按支承情況可分為簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁和多孔靜定梁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的條件和要求選用。 對(duì)鋼梁的設(shè)計(jì)要求，與鋼柱相同。梁必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。 201 梁的強(qiáng)度計(jì)算 梁的強(qiáng)度計(jì)算，包括梁凈截面考慮塑性發(fā)展的抗彎強(qiáng)度

5、和抗剪強(qiáng)度，局部承壓強(qiáng)度及幾種應(yīng)力引起的折算應(yīng)力汁算。 2011 梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算 1，梁在彎矩作用下，截面上正應(yīng)力發(fā)展的三個(gè)階段。 (1彈性工作階段。彎矩較小時(shí)，梁截面應(yīng)力為直線分布，最外邊緣正應(yīng)力。不超過(guò)屈段點(diǎn)人，其彈性極限彎矩為：Me=wnJy，Wn為凈截面彈性抵抗矩(圖20-2b、c。 (2彈塑性工作階段。彎矩繼續(xù)增加，截面邊緣區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，但中間部分仍保持彈性工作狀態(tài)(圖20-2d。 (3塑性工作階段。彎矩再繼續(xù)增加，截面塑性變形向深處發(fā)展，直至彈性核心消失，截面全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，形成塑性鉸區(qū)(圖20-2e。梁變形很大，截面已不能承受更大彎矩。此時(shí)。第568頁(yè) 梁的抗彎強(qiáng)度按塑性

6、工作階段計(jì)算，亦稱塑性設(shè)計(jì)；按彈性工作階段計(jì)算，亦稱彈性設(shè)計(jì)，可見(jiàn)，前者比后者更能充分發(fā)揮材料的作用，經(jīng)濟(jì)效益較高?？紤]到塑性變形過(guò)大將SI起梁的撓度過(guò)大，剛度降低，整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定降低，腹板局壓應(yīng)力不足；規(guī)范規(guī)定，對(duì)需要計(jì)算疲勞的梁，不考慮截面塑性工作，僅按彈性設(shè)計(jì)；對(duì)不需要驗(yàn)算疲勞的梁，如：承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的梁只考慮部分截面塑性工作，塑性發(fā)展深度不超過(guò)o15倍的截面高度，對(duì)兩個(gè)主軸分別用截面塑性發(fā)展系數(shù)y。和y，控制，稱為彈塑性設(shè)計(jì)。 2梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式 在主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹梁，其抗彎強(qiáng)度計(jì)算按下式： 對(duì)承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的單向彎曲梁為式中：Mx、MY繞x軸

7、和9軸的彎矩，對(duì)I形截面：x軸為強(qiáng)軸，y軸為弱軸； Wnx、Wnv，對(duì)x軸和9軸的凈截面抵抗矩； yx、yy截面塑性發(fā)展系數(shù)，對(duì)I形截面：yx=105，yy=120；對(duì)箱形截面：yx=yv=1.05； 對(duì)其他截面可按表20-l采用； f鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。 當(dāng)梁受壓翼緣的自由外伸寬度與其厚度之比大于13235/fv，但不超過(guò)15235/fv時(shí)，應(yīng)取yx=10。人為鋼材的屈服強(qiáng)度：對(duì)Q235鋼，取fv=235Nmn2；對(duì)Q345鋼、16Mnq叫鋼，取人：345Nmn2；對(duì)Q390鋼、15MnVq鋼，取，二390Nmn，以免甥性發(fā)展局部失穩(wěn)。 對(duì)需要計(jì)算疲勞的梁，仍按上式計(jì)算，但取yy=yv=1

8、0，即為彈性設(shè)計(jì)。 2012 梁的抗剪強(qiáng)度計(jì)算 在主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹梁，其抗剪強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算第九章 塑性，設(shè)計(jì) 第一節(jié) 一般要求 對(duì)超靜定的梁和框架采用塑性設(shè)計(jì)，可以充分利用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的塑性性能達(dá)到節(jié)約材料的目的。在建筑結(jié)構(gòu)中，早在20世紀(jì)初期就已提出塑性設(shè)計(jì)的概念，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證。1948年英國(guó)在其BS449規(guī)范中正式規(guī)定可以采用塑性設(shè)計(jì)。其后，世界很多國(guó)家和地區(qū)的規(guī)范或設(shè)計(jì)文件中，陸續(xù)對(duì)塑性設(shè)計(jì)作了反映，其中有詳細(xì)規(guī)定條文的有；美國(guó)AISC(1993規(guī)范，澳大利亞ASCA，(1968規(guī)范，加拿大CSASl6(1969，1974規(guī)范，法國(guó)鋼結(jié)構(gòu)塑性分析建議(1975，印度ISI手冊(cè)， 日本

9、鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)規(guī)范(1970等等；而僅規(guī)定允許采用塑性設(shè)計(jì)的有：奧地利B4600(1964規(guī)范，捷克CSN 73規(guī)范，丹麥規(guī)范，西德DINl050規(guī)范，意大利CNRUNll01167規(guī)范，墨西哥建筑規(guī)范，瑞典SBN67規(guī)范，瑞士SIAN0161規(guī)范等等。 歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的建議(1983年稿和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(1985年稿，都將塑性分析和彈性分析并列為重要的計(jì)算準(zhǔn)則。 我國(guó)GB 50017規(guī)范專門列出“塑性設(shè)計(jì)”一章，指出：不直接承受動(dòng)態(tài)荷載的固端梁、連續(xù)梁以及由實(shí)腹構(gòu)件組成的單層和兩層框架結(jié)構(gòu)，可采用塑性設(shè)計(jì)。而且規(guī)定：采用塑性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用荷載的

10、設(shè)計(jì)值；考慮構(gòu)件截面內(nèi)塑性發(fā)展及由此引起的內(nèi)力重分配，用簡(jiǎn)單塑性理論進(jìn)行內(nèi)力分析。 一、截面全塑性的極限彎矩 1受彎構(gòu)件的極限彎矩 在第四章第一節(jié)已經(jīng)講過(guò)，受純彎矩的，全截面幾乎全部進(jìn)人塑性時(shí)達(dá)到承載能力極限，其極限彎矩(甥性鉸彎矩為 Mp=WpFy(91式中 。構(gòu)件的塑性截面模量。 塑性截面模量Wp與彈性截面模量W之比，vF=Wp/W，稱為截面形狀系數(shù)(其值參見(jiàn)第四章表41和42。用于塑性設(shè)計(jì)的工字形截面，繞強(qiáng)軸彎曲時(shí)，Rv=111114。所以充分考慮截面內(nèi)塑性發(fā)展時(shí)，其承載能力大于按彈性設(shè)計(jì)的10以上。 2軸心力和彎矩共同作用下的極限彎矩 軸心力將顯著地減小截面的極限彎矩。對(duì)繞強(qiáng)軸彎曲的工

11、字形截面，"和N的相關(guān)關(guān)系，可按第五章第二節(jié)的公式(553和(554來(lái)表達(dá)，由此畫出的相關(guān)曲線如圖91的實(shí)曲線所示。第298頁(yè)圖9I中，Np=Afy是全截面屈服的軸心力；Mp為由公式(91所表達(dá)的儀有彎矩作用時(shí)的極限彎矩;Mu'是N和M共同作用時(shí)的極限彎矩。NNa與M'a/Ma，的相關(guān)關(guān)系與Af/Aw。值(兒為一個(gè)翼緣截面積，Aw為腹板截面積有關(guān)，此比值愈小表示腹板截面積所占的比重愈大，相關(guān)曲線愈往外凸。在第五章的壓彎構(gòu)件考慮部分塑性的設(shè)計(jì)中，采用了圖中虛線所示的斜直線作為計(jì)算準(zhǔn)則。在本章的塑性設(shè)計(jì)中，為了更充分地利用截面承載能力，采用了圖91中的兩段直線(點(diǎn)劃線，由

12、此得軸心力與彎矩共同作用下的極限彎矩為：式中 人，純剪屈服強(qiáng)度。 若單就，和，而言，應(yīng)力值都不可能達(dá)到其完全屈服值，除非其中另一項(xiàng)的應(yīng)力為零。因此，有剪應(yīng)力存在時(shí)，彎曲正應(yīng)力的極限分布情況只能如圖9，2(b所示，中部正應(yīng)力未達(dá)到人的腹板區(qū)域才能負(fù)擔(dān)剪應(yīng)力。當(dāng)塑性鉸形成時(shí)，可以假定剪應(yīng)力呈拋物線分布，且中點(diǎn)最大剪應(yīng)max=Fvy人。由此可得有剪應(yīng)力存在時(shí)的截面極限彎矩為第四章 受彎構(gòu)件的計(jì)算 受彎構(gòu)件有實(shí)腹式和桁架式兩種，但我國(guó)習(xí)慣僅指前者。實(shí)腹式受彎構(gòu)件通常稱為梁。梁在計(jì)算中應(yīng)考慮強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等四個(gè)方面的問(wèn)題。其中剛度計(jì)算是使梁在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的最大撓度不超過(guò)容許撓度，屬正

13、常使用極限狀態(tài)，已在第三章第四節(jié)闡述。本章僅敘述強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的計(jì)算。 第一節(jié) 梁的強(qiáng)度 一、梁的抗彎強(qiáng)度 1梁截面中的塑性發(fā)展 現(xiàn)以無(wú)孔眼削弱的單向彎曲梁(圖41。為例來(lái)說(shuō)明梁的抗彎性能。第72頁(yè)可扯獲得較大的經(jīng)濟(jì)意義。但是，我們?cè)诶盟苄缘耐瑫r(shí)，必須考慮到是否會(huì)因過(guò)度的塑性變形使梁不適于繼續(xù)承載。 梁截面出現(xiàn)塑性后，其跨中撓度與荷載分布情況有關(guān)。例如，圖42的兩種受荷情況的梁，假設(shè)塑性發(fā)展深度相同，彈性核只剩下截面高度的110(此時(shí)最大彎矩。已很接近塑性鉸彎矩。在跨中有一個(gè)集中荷載的粱(圖4，2a，出現(xiàn)的塑性區(qū)段長(zhǎng)度為2a，只占跨度的很小部分；而在14跨度處有兩個(gè)相同集中荷載的梁

14、(圖，42，出現(xiàn)的塑性區(qū)段長(zhǎng)度卻達(dá)l2+2&，已超出跨度的一半。經(jīng)用曲率面積法或連續(xù)二次積分法計(jì)算，當(dāng)這兩個(gè)梁的Aw=A1時(shí)，圖42(o梁的跨中撓度v1=128v(v為跨中截面邊緣屈服時(shí)的撓度，因塑性使梁的剛度下降并不大；但圖41(b梁的跨中撓度卻達(dá)p：二840。，剛度降低很大。如果兩梁在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的最大撓度均達(dá)到1400(樓蓋主粱的容許撓度，假設(shè)荷載分項(xiàng)系數(shù)的平均值為13，則在荷載設(shè)計(jì)值下的撓度為，那么u1和v2分別為第三章 基本設(shè)計(jì)規(guī)定 第一節(jié) 設(shè)計(jì)原則 一、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB500682001(以下簡(jiǎn)稱統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各種建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用“以概率理

15、論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”。極限狀態(tài)的定義為：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足某一規(guī)定功能的要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。各種承重結(jié)構(gòu)均應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 承載能力極限狀態(tài)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。 正常使用極限狀態(tài)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值的極限狀態(tài)，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中包括變形和振動(dòng)等。 如何理解這些極限狀態(tài)呢?現(xiàn)舉例說(shuō)明。圖31(d為一桁架結(jié)構(gòu)中的拉桿，截面無(wú)孔削弱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行下列方面的計(jì)算： 然后截面中的應(yīng)力達(dá)到鋼材屈服點(diǎn)，此拉桿并沒(méi)有被拉斷，也就是沒(méi)有達(dá)到最大承載能力。但是，從鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖316，Q235鋼中可以看到，應(yīng)力達(dá)屈服點(diǎn)人后應(yīng)變可以達(dá)到25左右，也就是材料每米伸長(zhǎng)25mm，如果此桿件長(zhǎng)為5m，則總伸長(zhǎng)可達(dá)125nmi。拉桿發(fā)生這樣大的變形，肯定會(huì)影響整個(gè)桁架的工作，不但使整體桁架下塌，而且使受力體系改變。因此，無(wú)孔眼削弱的拉桿的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)屬于“不適于繼續(xù)承載第34頁(yè)的變形”的極限狀態(tài)。 至于端部連接焊縫的計(jì)算，是以焊縫破壞作為極限狀態(tài)的，就應(yīng)屬于達(dá)到“最大承載能力”的極限狀態(tài)。 (2驗(yàn)算拉桿的長(zhǎng)細(xì)比，使長(zhǎng)細(xì)比不超過(guò)容許長(zhǎng)細(xì)比，應(yīng)屬于“正常使用極限狀態(tài)”。因拉桿長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大時(shí)，可能會(huì)因自重而明顯下垂，也可能會(huì)在動(dòng)力影響下發(fā)生