[PPT]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理之構(gòu)件截面承載力—強度

1、第3章 構(gòu)件截面承載力強度鋼結(jié)構(gòu)承載能力的三種形式：構(gòu)件截面承載能力：在荷載作用下截面的應(yīng)力與構(gòu)件材料相應(yīng)強度值的比較，即強度單個構(gòu)件的承載能力：構(gòu)件的穩(wěn)定性，與構(gòu)件的剛度有關(guān)整體結(jié)構(gòu)的承載能力：與抗側(cè)力構(gòu)件的剛度有關(guān)或與結(jié)構(gòu)體系中壓桿、壓彎構(gòu)件有關(guān)3.1軸心受力構(gòu)件的強度和截面選擇 1、軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用：分類：軸心受壓構(gòu)件、軸心受拉構(gòu)件應(yīng)用：桁架：鋼屋架、托架、吊車梁以及制動桁架；塔架：電視塔、氣象塔、輸電線路塔；網(wǎng)架：平面網(wǎng)架、空間網(wǎng)架；柱：操作平臺柱、抗風(fēng)柱；各種支撐結(jié)構(gòu)：屋面支撐、柱間支撐以上各種結(jié)構(gòu)中的每一根桿件均為軸心受力構(gòu)件。3.塔架1.桁架2.網(wǎng)架軸心受壓柱實腹式軸壓柱與格構(gòu)

2、式軸壓柱二、軸心受壓構(gòu)件的截面形式截面形式可分為：實腹式和格構(gòu)式兩大類。1、實腹式截面2、格構(gòu)式截面截面由兩個或多個型鋼肢件通過綴材連接而成。3、截面選擇的基本原則：滿足強度所需的截面面積；滿足剛度的要求；制作簡便；便于連接三、軸心受力構(gòu)件的強度和剛度 強度計算（承載能力極限狀態(tài)） N軸心拉力或壓力設(shè)計值； An構(gòu)件的凈截面面積； f鋼材的抗拉強度設(shè)計值。軸心受壓構(gòu)件，當截面無削弱時，強度不必計算。軸心受力構(gòu)件軸心受拉構(gòu)件軸心受壓構(gòu)件強度 （承載能力極限狀態(tài)）剛度 （正常使用極限狀態(tài)）強度剛度 （正常使用極限狀態(tài)）穩(wěn)定（承載能力極限狀態(tài)）軸心受壓構(gòu)件的強度計算當壓桿截面無孔洞時，構(gòu)件承載力是由

3、穩(wěn)定來控制，此時強度可不計算；當壓桿截面有孔洞時，構(gòu)件承載力可由強度來控制，此時即要計算凈截面強度又要計算桿件的穩(wěn)定性；梁承受橫向荷載的受彎實腹式構(gòu)件 格構(gòu)式梁桁架一、類型3.2 梁的類型和強度按制作方法分：型鋼梁、組合（截面）梁 樓蓋梁 平臺梁按功能分 吊車梁 檁條 墻架梁等1.型鋼梁2.組合梁3.單向彎曲梁與雙向彎曲梁4.梁的計算內(nèi)容正常使用極限狀態(tài) 剛度(計算撓度小于允許撓度)承載能力極限狀態(tài)強度抗彎強度抗剪強度局部壓應(yīng)力折算應(yīng)力整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定構(gòu)件的疲勞驗算：直接承受動力荷載的梁，當n 5104次時應(yīng)進行計算。 梁的正應(yīng)力：以工字型截面為例，純彎曲的簡支梁的M-曲線。有四個階段：1）彈

4、性工作階段2）彈塑性工作階段3）塑性工作階段4）應(yīng)變硬化階段3.2.2 梁的彎曲、剪切強度(一)抗彎強度1.工作性能（1）彈性階段 x xfy彈性階段的最大彎矩:注：需進行疲勞驗算的梁以此作為承載能力極限狀態(tài)；冷彎薄壁梁也以此作為承載能力極限狀態(tài)(2)彈塑性階段 x xfyaafyfy分為 和 兩個區(qū)域。 梁翼緣邊緣纖維應(yīng)力已達到屈服點，開始形成塑性區(qū)，并從翼緣開始逐步向中和軸發(fā)展?？拷泻洼S部分腹板面積仍保持彈性階段。這時所增加的外力M全部由彈性區(qū)來承受。普通鋼結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件就是以這個階段作為承載力極限狀態(tài)。此時只考慮部分截面塑性發(fā)展。 x xfyaafyfy(3)塑性工作階段彈性區(qū)消失，形

5、成塑性鉸 。是鋼結(jié)構(gòu)進行塑性設(shè)計的依據(jù)。此時截面出現(xiàn)塑性鉸，Mxp即為塑性鉸彎矩。塑性鉸彎矩 與彈性最大彎矩 之比:只取決于截面幾何形狀而與材料的性質(zhì)無關(guān)的形狀系數(shù)。對X軸對Y軸XXYYA1Aw（4）應(yīng)變硬化階段 梁翼緣的強度有所增加，但在計算時不利用這一階段的強度值，作為強度儲備。2.抗彎強度計算 梁設(shè)計時只是有限制地利用截面的塑性，如工字形截面塑性發(fā)展深度取ah/8。(1)單向彎曲梁(2)雙向彎曲梁 x xaafy式中：截面塑性發(fā)展系數(shù)，對于工字形截面梁: 其他截面見表3-4。當翼緣外伸寬度b與其厚度t之比滿足:時，需要計算疲勞強度的梁:XXYYbt（二）抗剪強度VmaxMmaxtmax

6、x x在荷載作用下梁截面既有彎矩又有剪力（純彎曲梁除外），截面既有正應(yīng)力又有剪應(yīng)力。對熱軋型鋼，由于其腹板較厚，若腹板無孔洞或截面削弱，一般情況下不驗算剪應(yīng)力；（三）局部壓應(yīng)力 當梁的翼緣受有沿腹板平面作用的固定集中荷載且荷載處又未設(shè)置支承加勁肋時，或有移動的集中荷載時，應(yīng)驗算腹板高度邊緣的局部承壓強度。F 集中力,對動力荷載應(yīng)考慮動力系數(shù)；集中荷載增大系數(shù)，重級工作制吊車為1.35， 其他為1.0；lz -集中荷載在腹板計算高度邊緣的假定分布長度： a-集中荷載沿梁跨度方向的支承長度，對吊車輪壓可 取為50mm； hy-自梁承載邊緣到腹板計算高度邊緣的距離； hR-軌道的高度，計算處無軌道時

7、取0； a1 -梁端到支座板外邊緣的距離，按實際取，但不得 大于2.5hy。梁端支座反力：跨中集中荷載：腹板的計算高度ho的規(guī)定：1軋制型鋼，兩內(nèi)孤起點間距;2焊接組合截面，為腹板高度;3鉚接時為鉚釘間最近距離。hobt1hobt1ho當驗算不滿足時應(yīng)采取措施：1、設(shè)置橫向加勁肋；（固定集中荷載）2、加大腹板厚度；（移動集中荷載）（四）組合應(yīng)力（折算應(yīng)力）同一截面的同一部位有多種應(yīng)力狀態(tài)時，是否滿足強度要求。以工字型截面為例：max （邊緣）、max（中和軸）是同一截面的不同部位。此外任一部位都有、，找最不利的部位。應(yīng)帶各自符號，拉為正。 計算折算應(yīng)力的設(shè)計值增大系數(shù)。 異號時，同號時或 原因

8、：1只有局部某點達到塑性 2異號應(yīng)力場有利于塑性發(fā)展提高設(shè)計強度 組合應(yīng)力驗算時應(yīng)注意：式3-31、32適用于外荷載通過截面剪心的情況；必須是同一截面同一部位的、c；式3-31、32應(yīng)用于特定截面、特定部位如：沿梁長度方向：支座處、集中力作用處；變截面梁截面改變處,均布載荷不連續(xù)的截面； 沿梁高度方向：翼緣和腹板交界處； 為什么普通鋼結(jié)構(gòu)中鋼梁的強度不利用完全塑性而只考慮部分截面的塑性變形？當截面發(fā)生塑性變形時，將使梁的撓度增大而不滿足正常使用的要求；梁翼緣與腹板交接處的折算應(yīng)力太大而不滿足要求；對梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定不利。規(guī)范規(guī)定梁的正應(yīng)力計算公式見第54頁。3.4 按強度條件選擇梁截面有

9、一個前提條件：當梁的整體穩(wěn)定滿足要求時“可以通過強度條件選擇梁截面”。 初選截面熱軋型鋼（用于跨度不是很大的情況）： 利用公式焊接截面（用于跨度和荷載都較大的情況）：一、截面選擇 原則：強度、穩(wěn)定、剛度、經(jīng)濟性等要求1、截面高度（1）容許最大高度hmax凈空要求；（2）容許最小高度hmin 由剛度條件確定，以簡支梁為例：（3）梁的經(jīng)濟高度he 經(jīng)驗公式：綜上所述，梁的高度應(yīng)滿足：2、腹板高度hw 因翼緣厚度較小，可取hw比h稍小。hw1m時，取100的倍數(shù)，（以mm計）3、腹板厚度tw 由抗剪強度確定： 一般按上式求出的tw較小，可按經(jīng)驗公式計算： 構(gòu)造要求：一般bf以10mm為模數(shù)， t以2

10、mm為模數(shù)。確定bf 、t尚應(yīng)考慮板材的規(guī)格及局部穩(wěn)定要求。bfhwh1httwxx4、翼緣尺寸確定： 由Wx及腹板截面面積確定。確定翼緣的寬度bf和厚度t：構(gòu)造要求：1）t取2的倍數(shù)，b取10的倍數(shù)；bmin= 180mm（一般梁） 300mm(吊車梁）2) 并應(yīng)盡量寬一些，有利于梁的穩(wěn)定；3）滿足局部穩(wěn)定的要求：二、截面驗算 截面確定后，求得截面幾何參數(shù)Ix Wx Iy Wy 等。1、強度驗算：抗彎強度、抗剪強度、局壓強度、折 算應(yīng)力；2、整體穩(wěn)定驗算；3、局部穩(wěn)定驗算，對于腹板一般通過加勁肋來保證4、剛度驗算；5、動荷載作用，必要時尚應(yīng)進行疲勞驗算。應(yīng)注意：截面驗算時應(yīng)將梁的自重加進去。

11、三、組合梁截面沿長度的改變 截面M沿l改變，為節(jié)約鋼材，將M較小區(qū)段的梁截面減小，截面的改變有兩種方式：1、改變翼緣板截面 指受強度控制的焊接截面，可以沿梁的長度方向變化。主要用在實腹式焊接吊車梁。bfbf12.5（4)（a）（b）ll/6l/6M1M1M（1）單層翼緣板，一般改變bf，而t不變，做法如圖： （2）多層翼緣板，可采用切斷外層翼緣板的方法，斷 點計算確定，做法如圖： 為了保證，斷點處能正常工作，實際斷點外伸長度l1應(yīng)滿足：lM1M1l1l1 1）端部有正面角焊縫時： 當hf 0.75t1時： l1 b1當hf 0.75t1時： l1 1.5b1 2）端部無正面角焊縫時：l1 2b

12、1 b1 、t1外層翼緣板的寬度和厚度； hf 焊腳尺寸。lM1M1l1l12、改變梁高 具體做法如圖：hh/2hh/2抵緊焊接l/6 l/5端部腹板高度應(yīng)滿足抗剪強度的要求；梁端部高度不小于梁高的一半；轉(zhuǎn)折點的距離為（1/51/6）梁的跨度；轉(zhuǎn)折點處腹板設(shè)橫向加勁肋。梁的扭轉(zhuǎn)自由扭轉(zhuǎn)：截面之間無約束，可以自由翹曲，縱向纖維無軸向應(yīng)變，截面只有剪應(yīng)力。其計算公式為3-11、3-12；從式3-11中可知，It愈大，則抗扭剛度G It也愈大，抗扭性能就愈好。將截面面積相同的工字型截面和箱形截面進行比較。約束扭轉(zhuǎn)：桿件端部的支承使截面之間互相約束，其截面的翹曲變形受到約束，縱向纖維有軸向拉伸或壓縮，

13、截面除有剪應(yīng)力外，還有正應(yīng)力。引起截面剪應(yīng)力的扭矩有兩部分組成：自由扭轉(zhuǎn)力矩和約束扭轉(zhuǎn)力矩。其計算公式為3-27。約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力的計算公式見第61頁。3.5 梁的內(nèi)力重分布和塑性設(shè)計內(nèi)力重分布：對超靜定結(jié)構(gòu)，截面出現(xiàn)塑性鉸后，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，使其他截面出現(xiàn)塑性鉸，直至形成機動結(jié)構(gòu)。塑性設(shè)計：就是利用內(nèi)力重分布，使截面達到材料的屈服強度，充分發(fā)揮材料的潛能。鋼材性能要滿足以下要求：1）515%；2）u 20y；3) fu/fy 1.2塑性設(shè)計適用范圍：不直接承受動荷載的超靜定梁；由實腹構(gòu)件組成的單層和兩層框架。3.6 拉彎、壓彎構(gòu)件的應(yīng)用和強度計算一、應(yīng)用 一般工業(yè)廠房和多層房

14、屋的框架柱均為拉彎和壓彎構(gòu)件。NMNe二、截面形式 實腹式拉彎構(gòu)件的截面出現(xiàn)塑性鉸是承載能力的極限狀態(tài)；對格構(gòu)式拉彎桿繞虛軸受彎和冷彎薄壁型鋼截面拉彎桿，把截面邊緣達到屈服強度視為構(gòu)件極限狀態(tài)，以上屬于強度破壞形式； 對軸心拉力很小而彎矩很大的拉彎桿也可能存在和梁類似的彎扭失穩(wěn)的破壞形式。拉彎構(gòu)件破壞形式壓彎構(gòu)件的破壞形式 取決于桿的受力條件，桿的長度，支承條件、截面的形式和尺寸等。對粗短桿和截面有嚴重削弱的桿可能產(chǎn)生強度破壞，此外大多數(shù)壓彎構(gòu)件總是整體失穩(wěn)破壞。組成壓彎構(gòu)件的板件，還有板件屈曲將促使構(gòu)件提前失穩(wěn)的局部失穩(wěn)破壞。三、計算內(nèi)容拉彎構(gòu)件： 承載能力極限狀態(tài)：強度 正常使用極限狀態(tài)：

15、剛度強度穩(wěn)定實腹式 格構(gòu)式 彎矩作用在實軸上 彎矩作用在虛軸上 (分肢穩(wěn)定)整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定平面內(nèi)穩(wěn)定 平面外穩(wěn)定 承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)剛度壓彎構(gòu)件：3.6.2 拉彎和壓彎構(gòu)件的強度一、截面應(yīng)力的發(fā)展 以工字形截面壓彎構(gòu)件為例：hhwAfAfAwFy(A)(A)彈性工作階段HHNhhwAfAfAwfy(A)fy(B)fyfy(C)fyfy(D)(D)塑性工作階段塑性鉸(強度極限)(B)最大壓應(yīng)力一側(cè)截面部分屈服(C)截面兩側(cè)均有部分屈服hhh-2h （A）整個截面處于彈性狀態(tài)；（B）截面受壓部分進入塑性狀態(tài)；（C）受拉區(qū)進入塑性狀態(tài)；（D）整個截面進入塑性狀態(tài)，即出現(xiàn)塑性鉸。 強度極限狀態(tài)是構(gòu)件截面出現(xiàn)塑性鉸。HHNhhwAfAfAwfyfy(D)塑性鉸(強度極限)截面分解hhh-2h 對于工字形截面壓彎構(gòu)件，由圖（D）內(nèi)力平衡條件可得，N、M無量綱相關(guān)曲線： N、M無量綱相關(guān)曲線是一條外凸曲線，規(guī)范為簡化計算采用直線代替，其方程為：01.01.