鋼結構鋼柱分類及其計算

1、分類 鋼柱按截面形式可分為實腹柱和格構柱。實腹柱具有整體的截面，最常用的是工形截面；格構柱的截面分為兩肢或多肢，各肢間用綴條或綴板聯(lián)系，當荷載較大、柱身較寬時鋼材用量較省。 鋼柱按受力情況通?？煞譃檩S心受壓柱和偏心受壓柱。軸心受壓柱所受的縱向壓力與柱的截面形心軸重合。偏心受壓柱同時承受軸心壓力和彎矩，也稱壓彎構件。 設計計算 鋼柱截面應滿足強度、穩(wěn)定和長細比限制等要求，截面的各組成部件還應滿足局部穩(wěn)定的要求。 強度 柱的最大受壓或受拉正應力應不超過鋼材的設計強度。對軸心受壓柱，軸心壓力在截面內引起均勻的受壓正應力；對偏心受壓柱，由于彎矩的作用，在截面內引起不均勻的正應力，通常在截面偏心一側的最

2、外層纖維應力為最大壓應力，另一側最外層纖維應力為最小壓應力，彎矩較大時可能出現(xiàn)最大拉應力。 實腹軸心受壓柱的穩(wěn)定 實腹柱軸心受壓時，當壓力增加到一定大小，柱會由直線平衡狀態(tài)突然向剛度較小的側向發(fā)生彎曲，有時也可能發(fā)生突然扭轉、或同時發(fā)生彎曲和扭轉;如壓力再稍增加,則彎曲、扭轉或彎扭變形隨即迅速加大，從而使柱失去承載能力的現(xiàn)象稱為柱整體喪失穩(wěn)定，并按其失穩(wěn)變形的情況分別稱為彎曲失穩(wěn)、扭轉失穩(wěn)或彎扭失穩(wěn)(圖3)。使柱喪失穩(wěn)定的最小軸心壓力稱為臨界力。臨界力被毛截面面積除所得的應力稱為臨界應力。臨界應力常常低于鋼材的屈服點，即柱在強度到達極限狀態(tài)前就會喪失穩(wěn)定。臨界應力與屈服點的比值稱為軸心受壓柱的

3、穩(wěn)定系數(shù)。 軸心受壓柱喪失穩(wěn)定的三種情況中，最常見的是彎曲失穩(wěn)（圖3a）。影響柱彎曲失穩(wěn)臨界應力的主要因素是柱的長細比，亦即柱的計算長度與截面回轉半徑的比值。對給定的鋼材，柱愈長或愈細，即長細比愈大，則臨界應力愈小，愈易彎曲失穩(wěn)。柱在兩個主軸x和y軸方向的長細比不相等時，其彎曲失穩(wěn)總是順著剛度較弱、即長細比較大的方向發(fā)生（見柱的基本理論）。當鋼柱具有開口形截面且截面壁厚較小時，由于截面抗扭剛度較差，在軸心壓力作用下可能發(fā)生扭轉失穩(wěn)或彎扭失穩(wěn)。當截面為雙軸對稱(如十字形截面)或點對稱(如Z形截面)時,軸心壓力所在的形心軸與剪切中心軸重合,當柱的長度較小時,可能發(fā)生扭轉失穩(wěn)(圖3b);當截面為單軸

4、對稱(如槽形或T形截面),軸心壓力所在的形心軸與剪切中心軸不重合，柱可能發(fā)生彎扭失穩(wěn)（圖3c）；當截面沒有對稱軸時，柱在軸心壓力下失穩(wěn)一般為彎扭失穩(wěn)。扭轉失穩(wěn)和彎扭失穩(wěn)的臨界應力與柱的截面形式和大小、抗扭剛度和抗彎剛度、柱的長度和支承情況等有關。開口形薄壁截面的壁厚愈小，抗扭剛度愈小，愈易發(fā)生扭轉。 工程上用的鋼柱常有缺陷，如鋼材熱軋和結構焊接過程中不均勻加熱和冷卻所產(chǎn)生的截面殘余應力、構件初彎曲等制造偏差，以及構件連接初偏心等安裝偏差等。這些缺陷將降低臨界應力和穩(wěn)定系數(shù)，對于不同截面形式的鋼柱，穩(wěn)定系數(shù)的降低情況各不相同。 軸心受壓柱的穩(wěn)定計算公式為N/Af，式中為毛截面壓應力；N為軸心壓力

5、;A為毛截面面積；為穩(wěn)定系數(shù)；f為設計強度。 實腹偏心受壓柱的穩(wěn)定 偏心受壓柱同時承受軸心壓力和彎矩。由于彎矩的作用，柱在彎矩作用平面內一開始就有彎曲變形。如軸心壓力和彎矩同時逐漸增大,彎曲變形也相應逐漸增大。但當荷載增加到一定大小時,即使保持荷載不變甚至逐漸減小，而變形卻會繼續(xù)迅速增大，這時柱已失去承載能力，這個現(xiàn)象稱為偏心受壓柱在彎矩作用平面內喪失穩(wěn)定（圖3d），屬彎曲失穩(wěn)。如果柱的側向剛度較小且側向支承較差，當荷載增加到一定大小時，柱除在彎矩作用平面內彎曲外，在側向也可能從其原有平面突然向外彎曲，同時發(fā)生扭轉，隨即彎扭變形迅速加大，使柱失去承載能力的現(xiàn)象稱為偏心受壓柱在彎矩作用平面外喪失

6、穩(wěn)定（圖3e），屬彎扭失穩(wěn)。 偏心受壓柱在彎矩作用平面內、外的穩(wěn)定性不但和柱的長細比有關，而且還取決于偏心情況。偏心情況通常用偏心率（即偏心距與截面核心距的比值）衡量。對于給定的鋼材和柱截面形式，柱的長細比和偏心率愈大，則柱失穩(wěn)時的臨界平均壓應力愈低，即柱愈易失穩(wěn)。 容許長細比 柱的長細比是衡量柱的剛度的一個標志。長細比太大不僅對柱的穩(wěn)定不利，而且使柱在運輸和安裝過程中容易產(chǎn)生彎曲，在使用期中在動力荷載作用下容易產(chǎn)生振動。所以，設計時要規(guī)定柱的容許長細比，通常采用150。 實腹柱的局部穩(wěn)定 當實腹柱的腹板、翼緣板或其他組成部件的厚度相對較小時，可能在柱喪失整體穩(wěn)定前的較小荷載下產(chǎn)生局部屈曲，即

7、受壓的腹板或翼緣板偏離其原來的平面位置而發(fā)生波狀翹曲的現(xiàn)象稱為柱喪失局部穩(wěn)定。柱的局部喪失穩(wěn)定后，使柱的受力狀況惡化，有可能導致柱較早地喪失整體穩(wěn)定。 為使鋼柱各組成部件有足夠的局部穩(wěn)定性，通常按板件的應力和支承等情況限制其寬厚比不超過一定數(shù)值。 格構柱的計算 對格構柱也應計算強度、穩(wěn)定、長細比限制及各個單肢和組成部件的穩(wěn)定；計算方法與實腹柱相仿。但是，格構柱中綴條或綴板體系的抗剪剛度比實腹柱的腹板差得多，當柱繞虛軸（截面中與綴條或綴板平面相交的軸,圖2）彎曲失穩(wěn)時，柱除發(fā)生彎曲變形外，還將發(fā)生相當程度的剪切變形。 綴條和綴板的作用是把格構柱的柱肢連成整體，保證各個柱肢共同受力，并承受柱垂直于虛軸的剪力。綴條和柱肢組成平面桁架體系，在柱的剪力作用下綴條和柱肢將只承受軸力，一般情況下剛度較大。綴板和柱肢組成多層平面剛架體系，在柱的剪力作用下綴板和柱肢將承受彎矩和剪力。 橫隔 為了滿足受力要求保證柱身截面幾何形狀不變和增加柱的抗扭剛度，應在鋼柱受較大水平力處及每個運輸單元的端部及中部設置橫隔。橫隔可采用鋼板或角鋼做成。 柱腳和錨栓 柱腳是將柱身所受荷載傳到基礎的柱部件。柱腳除把柱固定于基礎外，還起傳遞和分布荷載的作用。柱腳一般由底板和靴梁組成;當柱身較小時,也可不用靴梁；當柱身較大及底板較寬時，為了加強底板的剛度，減小其彎矩和厚度，還需適當布置隔板或肋板。 錨栓是將柱