《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》蘇州科技學(xué)院教材配套第5章軸心受力構(gòu)件.pptVIP

第5章 軸心受力構(gòu)件,知識(shí)點(diǎn),軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算方法，剛度及長細(xì)比概念；軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定理論、整體穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化；軸心受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定，組成板件的容許寬厚比及腹板屈曲后強(qiáng)度的應(yīng)用；實(shí)腹式及格構(gòu)式軸心受壓柱的設(shè)計(jì)方法；連接節(jié)點(diǎn)及柱腳的構(gòu)造與計(jì)算。,重點(diǎn),本章有關(guān)整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的概念是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)，需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)。,軸心受力構(gòu)件構(gòu)件承受通過截面形心軸線的軸向力作用。,軸心受力構(gòu)件截面形式分為：實(shí)腹式和格構(gòu)式,實(shí)腹式截面,格構(gòu)式截面,4-1 概 述,4-1 概 述,軸心受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)內(nèi)容,應(yīng)滿足承載能力與正常使用兩種極限狀態(tài)的要求。,軸心受力構(gòu)件,軸心受拉構(gòu)件,軸心受壓構(gòu)件,強(qiáng)度,剛度,強(qiáng)度,剛度,穩(wěn)定,一、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算,N 軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值； An 構(gòu)件的凈截面面積； f 鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。,軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)以凈截面的平均應(yīng)力不超過鋼材的屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)則：,二、剛度計(jì)算,保證構(gòu)件在運(yùn)輸、安裝、使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大變形。,所謂的穩(wěn)定是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受載變形后，所處平衡狀態(tài)的屬性。,細(xì)長的軸心受壓構(gòu)件受外力作用后，不能保持平衡的穩(wěn)定性，構(gòu)件產(chǎn)生變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象稱為喪失整體穩(wěn)定性，或稱屈曲。,1、理想的軸心受壓桿：,2、理想軸心壓桿的屈曲形式：,桿件筆直、截面均勻、無初始應(yīng)力、無初偏心、 無初彎曲等缺陷。,（1）彎曲屈曲截面只繞一個(gè)主軸旋轉(zhuǎn)，桿縱軸由直線變?yōu)榍€，是雙軸對(duì)稱截面常見的失穩(wěn)形式。,（2）扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)失穩(wěn)時(shí)各截面均繞縱軸扭轉(zhuǎn)，是少數(shù)雙軸對(duì)稱截面可能發(fā)生的失穩(wěn)形式。,（3）彎扭失穩(wěn)單軸對(duì)稱截面繞對(duì)稱軸屈曲時(shí)，桿件發(fā)生彎曲變形的同時(shí)必然伴隨著扭轉(zhuǎn)。,兩端鉸支的理想細(xì)長壓桿，當(dāng)較小時(shí)，桿件保持直線平衡狀態(tài)。當(dāng)壓力增大時(shí)，桿件呈微彎曲平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為平衡的“分枝”。當(dāng)超過某一數(shù)值時(shí)，桿件產(chǎn)生很大的彎曲變形，隨即破壞，即 “屈曲”。,根據(jù)平衡方程,在彈性范圍內(nèi)適用，即 ； 屈曲臨界力與抗彎剛度和構(gòu)件長度有關(guān)。,構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)如果截面應(yīng)力超出彈性極限，則構(gòu)件進(jìn)入彈塑性工作階段，這時(shí)應(yīng)按切線模量理論進(jìn)行分析。,實(shí)際的軸心受壓構(gòu)件： 桿件有初彎曲、荷載作用有初偏心、截面上有殘余應(yīng)力。,實(shí)際軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定屬于第二類穩(wěn)定問題 結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）從受力開始到破壞沒有平衡狀態(tài)分岔，臨界狀態(tài)表現(xiàn)為不能再承受荷載增量。,初始缺陷,以忽略腹板的熱軋H型鋼為例說明殘余應(yīng)力的影響,柱屈曲可能的彎曲形式有兩種：沿強(qiáng)軸（x軸）和 沿弱軸（y軸）,翼緣寬度為，彈性區(qū)寬度為kb,殘余應(yīng)力對(duì)弱軸的影響大于對(duì)強(qiáng)軸的影響,在加工、制造、運(yùn)輸、安裝等過程中，壓桿在受力之前就存在微小彎曲變形。 實(shí)測(cè)結(jié)果,壓力越大，撓度增加幅度越大； 在相同N 作用下，桿的初彎曲越大，桿的彎曲變形也就越大； 有初彎曲的軸心壓桿穩(wěn)定承載力永遠(yuǎn)小于歐拉臨界力。,由于構(gòu)造、桿件截面尺寸、加工、安裝等原因，作用于桿端的軸心壓力實(shí)際上不可避免的會(huì)偏離截面的形心而造成初偏心。,實(shí)際壓桿并非全部鉸支，對(duì)于任意支承情況 的壓桿，其臨界力為：,對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu) ，通常只考慮兩種缺陷： 初彎曲（L1000）， 殘余應(yīng)力。,最大強(qiáng)度準(zhǔn)則：以有初始缺陷的壓桿為模型，考慮截面的塑性發(fā)展，以最終破壞的最大荷載為其極限承載力。,壓桿失穩(wěn)時(shí)臨界應(yīng)力cr與長細(xì)比之間的關(guān)系曲線稱為柱子曲線。,a 類為殘余應(yīng)力影響較小，c 類為殘余應(yīng)力影響較大，并有彎扭失穩(wěn)影響，a、c 類之間為b 類，d類厚板工字鋼繞弱軸。,軸心受壓構(gòu)件的截面分類, 軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，通過構(gòu)件的長細(xì)比查表得到。,構(gòu)件長細(xì)比的確定,截面為雙軸對(duì)稱的構(gòu)件：,截面為單軸對(duì)稱構(gòu)件：,繞對(duì)稱軸y軸: 一般為彎扭屈曲，其臨界力低于彎曲屈曲，以換算長細(xì)比yz代替y,一、板件的局部穩(wěn)定問題,二、軸心受壓矩形薄板的臨界力,四邊簡(jiǎn)支板單向均勻受壓時(shí)的臨界力為：,四邊簡(jiǎn)支單向均勻受壓薄板的屈曲,考慮材料的彈塑性影響以及板邊緣約束后板件的臨界應(yīng)力可用下式表達(dá)：,采用限制板件寬度與厚度之比不要過大，否則臨界應(yīng)力cr 很低，會(huì)過早發(fā)生局部屈曲。 使構(gòu)件整體屈曲前其板件不發(fā)生局部屈曲，即局部屈曲臨界應(yīng)力大于或等于整體臨界應(yīng)力，稱作等穩(wěn)定性準(zhǔn)則。,三、軸心受壓構(gòu)件組成板件的容許寬厚比,板件寬厚比限值,工字形截面： 翼緣為三邊簡(jiǎn)支、一邊自由的均勻受壓板 腹板為四邊支承板,說明：b 翼緣自由外伸寬度； 構(gòu)件兩方向長細(xì)比的較大值。當(dāng)30時(shí)， 取=30；當(dāng)100時(shí)，取=100。,圓管截面：,箱形截面：,軸壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定不滿足時(shí)的解決措施 1、增加板件厚度； 2、當(dāng)腹板高厚比不滿足以上規(guī)定，在計(jì)算構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí)，腹板截面取有效截面，即取腹板計(jì)算高度范圍內(nèi)兩側(cè)各為 ，但計(jì)算構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)時(shí)仍取全截面； 3、也可采用設(shè)置縱向加勁肋的方法予以加強(qiáng)，以縮減腹板計(jì)算高度，縱向加勁肋宜在腹板兩側(cè)成對(duì)配置，其一側(cè)外伸寬度不應(yīng)小于10tw。,一.實(shí)腹式軸心壓柱的截面形式,熱軋型鋼,組合截面,截面的選取原則,2. 盡量滿足兩主軸方向的等穩(wěn)定要求，即： ，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)要求；,1. 截面積的分布盡量展開，增加慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑，提高整體穩(wěn)定性和剛度；,3. 便于連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，易加工制作，易取材。,二、截面的設(shè)計(jì)步驟,1. 截面面積A的確定： 假定=50100，當(dāng)壓力大而桿長小時(shí)取小值，反之取大值。,2. 求兩主軸方向的回轉(zhuǎn)半徑：,3. 根據(jù)A和ix、iy，優(yōu)先選用軋制型鋼。型鋼截面不滿足時(shí)，選用組合截面，組合截面的尺寸可由回轉(zhuǎn)半徑確定:,4. 由求得的A、h、b，綜合考慮構(gòu)造、局部穩(wěn)定、鋼材規(guī)格等，確定截面尺寸。,5. 截面驗(yàn)算：,截面有削弱時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算； 整體穩(wěn)定驗(yàn)算； 局部穩(wěn)定驗(yàn)算； 對(duì)于熱軋型鋼截面，因板件的寬厚比較大，可不進(jìn)行局部穩(wěn)定的驗(yàn)算。 剛度驗(yàn)算； 構(gòu)造要求。,分肢,綴件,綴板,綴條,一、格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的組成,垂直于分肢腹板平面的形心軸實(shí)軸y-y 垂直于分肢綴件平面的形心軸虛軸x-x,格構(gòu)式軸心受壓柱的實(shí)軸和虛軸,二、格構(gòu)式軸心受壓柱的換算長細(xì)比,對(duì)于格構(gòu)柱：當(dāng)繞虛軸失穩(wěn)時(shí)，柱的剪切變形較大，剪力造成的附加撓曲影響就不能忽略。對(duì)虛軸的整體穩(wěn)定計(jì)算，以加大長細(xì)比的辦法來考慮剪切變形的影響，加大后的長細(xì)比稱為換算長細(xì)比。,式中： A 兩個(gè)柱肢的毛截面面積之和； A1x 斜綴條的毛截面面積之和； 整個(gè)柱對(duì)虛軸的長細(xì)比。, 單肢對(duì)平行于虛軸的形心軸1-1軸的長細(xì)比。,雙肢綴條柱,雙肢綴板柱,綴條柱l1取節(jié)間距離。,綴板柱l1取綴板之間的凈距離。,三、格構(gòu)式軸心受壓柱的整體穩(wěn)定,繞實(shí)軸y-y 的整體穩(wěn)定計(jì)算與實(shí)腹式構(gòu)件相同。,繞虛軸x-x 的整體穩(wěn)定計(jì)算采用換算長細(xì)比ox。,四、格構(gòu)式軸心受壓柱分肢的穩(wěn)定性,為防止單肢件失穩(wěn)先于整體失穩(wěn)，應(yīng)考慮分肢的穩(wěn)定性。,綴條柱：,綴板柱：,五、格構(gòu)式軸心受壓柱的截面設(shè)計(jì),1.確定格構(gòu)柱的截面,原則：先實(shí)后虛選截面，等穩(wěn)條件定肢距。,按對(duì)實(shí)軸的整體穩(wěn)定選擇柱肢截面,假設(shè)查表得,則所需要的構(gòu)件截面面積為：,（綴條柱）,（綴板柱）,由等穩(wěn)條件,按對(duì)虛軸的整體穩(wěn)定確定兩分肢的距離,2. 確定格構(gòu)柱的截面,二、綴材計(jì)算,軸心受壓格構(gòu)柱平行于綴材面的剪力為：,斜綴條常采用單角鋼，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按軸心受壓計(jì)算，考慮到受力時(shí)的偏心作用，計(jì)算時(shí)可將材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以折減系數(shù)r 0.85。,3. 綴材設(shè)計(jì), 綴條設(shè)計(jì),2、綴板設(shè)計(jì),T和M即為綴板與肢件連接處的設(shè)計(jì)內(nèi)力。,一、梁與柱的連接,柱的頂部與梁（桁架）連接的部分稱為柱頭。 作用是通過柱頭將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳到柱身。,設(shè)計(jì)的原則：傳力明確、 安全可靠、 經(jīng)濟(jì)合理， 便于制造和安裝。,梁支于柱頂,柱頂板,梁連接于柱側(cè)面,二、柱腳,柱下端與基礎(chǔ)相連的部分稱為柱腳。 柱腳的作用是將柱身所受的力傳遞和分布到基礎(chǔ),并將柱固定于基礎(chǔ)。,柱腳的分類,鉸接柱腳 只傳遞軸力 (軸心受壓柱采用),剛接柱腳 傳遞軸力和彎矩 (偏心受壓柱采用),底版是把柱的底部放大，以增加其與基礎(chǔ)項(xiàng)部的接觸面積。,有靴梁帶隔板的柱腳,靴梁,底板,隔板,靴梁、隔板和肋板可以增加柱與底板的連接焊縫長度，并將底板分隔成幾個(gè)區(qū)格，減小底板的彎矩。 錨栓是用來將柱腳固定在基礎(chǔ)中的。,連接焊縫： 焊縫連接柱與靴梁，單面焊，4條； 焊縫連接靴梁與底板，單面焊，2條； 焊縫連接隔板與靴梁，單面焊，4條； 焊縫連接隔板與底板，單面焊，2條；,傳力途徑,底板的面積,An底板凈面積，An = BL-A0 ； c 基礎(chǔ)混凝土局部承壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)； fcc 基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 。,（1）底板的計(jì)算,底板的厚度,底板的厚度由板的抗彎強(qiáng)度決定。底板被分隔成不同的區(qū)格，底板的厚度取決于各區(qū)格板單位寬度上的最大彎矩，板的不同受力區(qū)域有：一邊(懸臂板)、兩邊、三邊和四邊支承板。, 一邊支承（懸臂板）, 二相鄰邊支承：, 三邊支承：, 四邊支承部分：,式中： a 四邊支承板短邊長度； b 四邊支承板長邊長度； 系數(shù)，與b/a有關(guān)。,（2）靴梁計(jì)算,靴梁高度ha由其與柱邊4條豎向連接焊縫長度確定，厚度可取等于或小于柱翼緣的厚度。,靴梁按支承于柱身兩側(cè)連接焊縫處的單跨雙懸臂梁計(jì)算，根據(jù)所承受的最大彎矩和最大剪力值，驗(yàn)算靴梁的抗彎和抗剪強(qiáng)度。,靴梁及隔板的連接焊縫計(jì)算,（3）隔板與肋板的計(jì)算,隔板的厚度不得小于其長度的1/50，高度略小于靴梁的高度。隔板可視為簡(jiǎn)支于靴梁的簡(jiǎn)支梁，承受圖中陰影面積的底板反力。,肋板按懸臂梁計(jì)算，承受的荷載為圖中所示的陰影部分的底板反力。,肋板與靴梁間的連接焊縫計(jì)算,剛性柱腳,加勁板,地腳螺栓,3.在選擇軸心受壓構(gòu)件的截面形式時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮板件較薄而比較寬大 開展截面，以保證在相同的截面積下獲得較高的回轉(zhuǎn)半徑及較小的長 細(xì)比。,、,1.鋼材具有良好的塑性性能，即鋼材的力學(xué)性能可簡(jiǎn)化為理想彈塑性材料，因此在進(jìn)行截面強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，可以不考慮彈性材料截面開孔時(shí)存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以凈截面達(dá)到鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度作為強(qiáng)度破壞的條件。,4.實(shí)際工程中的軸心受壓構(gòu)件必然存在桿件的初彎曲、荷載的初偏心以及殘余應(yīng)力的影響，這些初始缺陷將降低桿件的整體穩(wěn)定承載力。根據(jù)不同的截面形式，規(guī)范采用4條柱子曲線來計(jì)算軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力。,、,5.軸心受壓構(gòu)件一般設(shè)計(jì)成板件較薄而比較寬大的開展截面，當(dāng)這些截面組成板件的寬厚比（或高厚比）特別大時(shí)，在壓力作用下會(huì)發(fā)生板件