鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理講義

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第一章鋼結(jié)構(gòu)的大體性能建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材都是塑性比較好的材料，在拉力作用下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在超過彈性后有明顯的屈服點(diǎn)和一段屈服平臺(tái)，然后進(jìn)入強(qiáng)化階段。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以屈服點(diǎn)作為鋼材強(qiáng)度的極限，并把局部屈服作為承載能力的準(zhǔn)則。目前利用塑性的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)提上了日程。鋼材和其他建筑結(jié)構(gòu)材料相較，強(qiáng)度要高得多。在一樣的荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小，截面組成部份的厚度也小。因此，穩(wěn)定問題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一個(gè)突出的問題。建筑結(jié)構(gòu)鋼材有較好的韌性。因此，鋼結(jié)構(gòu)是經(jīng)受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)。鋼材的韌性也不是一成不變的。材質(zhì)、板厚、受力狀態(tài)、溫度等都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。【鋼材的生產(chǎn)及其對(duì)材性的影響】建筑結(jié)構(gòu)所用的鋼材包括兩大類：一類是熱軋型鋼和鋼板；另一類是冷成型（冷彎、冷沖、冷軋）的薄壁型鋼和壓型鋼板。一、 鋼的熔煉冶煉按需要生產(chǎn)的鋼號(hào)進(jìn)行，它決定鋼材的主要化學(xué)成份。煉鋼的原料為99%鋼水+廢鋼+合金元素。平爐煉鋼的質(zhì)量?jī)?yōu)于轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量。目前，我國(guó)采用轉(zhuǎn)爐煉鋼，轉(zhuǎn)爐鋼具有投資少、建廠快、生產(chǎn)效率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)等長(zhǎng)處。二、 鋼的脫氧脫氧的手腕是在鋼液中加入和氧的親和力比鐵高的錳、硅和鋁。脫氧的程度對(duì)鋼材的質(zhì)量很有影響。錳是弱脫氧劑。硅是較強(qiáng)的脫氧劑。鋁是強(qiáng)脫氧劑。鋼液中含有較多的FeO，澆注時(shí)FeO和碳彼此作用，形成CO氣體逸出，引發(fā)鋼液的猛烈沸騰，這種鋼稱之為沸騰鋼。它夾雜較多FeO，冷卻后有許多氣泡。硅在還原氧化鐵的進(jìn)程中放出熱量，使鋼液冷卻緩慢，氣體大多可以逸出，所得鋼錠稱之為鎮(zhèn)定鋼。冷卻后因體積收縮而在上部形成較大縮孔，縮孔的孔壁有些氧化，在輥軋時(shí)不能焊合，必需先把鋼錠頭部切去。切頭后實(shí)得鋼材僅為鋼錠的80%?85%。對(duì)沖擊韌性（尤其是低溫沖擊韌性）要求高的重要結(jié)構(gòu)，如酷寒地域的露天結(jié)構(gòu)，鋼材宜用硅脫氧后再用鋁補(bǔ)充脫氧的特殊鎮(zhèn)定鋼。這種鋼比一般鎮(zhèn)定鋼具有更高的室溫沖擊韌性和更低的冷脆偏向性和時(shí)效偏向性。鎮(zhèn)定鋼的質(zhì)量好于沸騰鋼。鎮(zhèn)定鋼本錢高。鎮(zhèn)定鋼偏析小。鎮(zhèn)定鋼的性能優(yōu)于沸騰鋼，主要表此刻容易保證必要的沖擊韌性，包括低溫沖擊和時(shí)效沖擊，沖擊韌性好可以經(jīng)受動(dòng)荷載和處于低溫的結(jié)構(gòu)。GB50017-2003規(guī)范規(guī)定沸騰鋼不能用于下列焊接結(jié)構(gòu)：需要驗(yàn)算疲勞者；處于-30t和更低溫度者；工作溫度低于-20°C并直接經(jīng)受動(dòng)力荷載（但不需驗(yàn)算疲勞）者。鑒定鎮(zhèn)定鋼和沸騰鋼，可以通過硅的含量來進(jìn)行。GB700-88規(guī)定，Q235鋼分為A、B、C、D四級(jí)。前兩級(jí)可以是沸騰鋼、半鎮(zhèn)定鋼或鎮(zhèn)定鋼，C級(jí)必需是鎮(zhèn)定鋼。三、鋼的軋制輥軋是型鋼和鋼板成型的工序，是二次熔煉的進(jìn)程，可以改善鋼材的性能。輥軋分熱軋和冷軋，以前者為主。冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和薄板。通過熱軋后，鋼材組織密實(shí)，力學(xué)性能取得改善。這種改善主要表此刻沿軋制方向上，從而使鋼材在必然程度上再也不是各向同性體。通過軋制以后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，而且有可能在焊縫收縮時(shí)出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變是屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍。型鋼和扁鋼老是沿輥軋方向受力，不存在非各向同性問題。鋼板則不同，垂直于輥軋方向受力，因此鋼板拉力實(shí)驗(yàn)的試樣應(yīng)垂直與軋制方向切去。軋制影響鋼材的塑性和韌性，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時(shí)加工、切割、焊接也產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱軋鋼材厚度小的強(qiáng)度高于厚度大的，而且塑性及沖擊韌性也比較好。因此鋼材的機(jī)械性能要按厚度分級(jí)。熱軋是不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。在沒有外力作用下內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力叫做殘余應(yīng)力。板的尺寸越大，冷卻后的應(yīng)力也越大。各類截面的熱軋型鋼都有這種殘余應(yīng)力，不過隨截面形式和尺寸不同，殘余應(yīng)力的散布有所區(qū)別。一般地說，截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，對(duì)鋼構(gòu)件在外力作用下的性能有必然影響。殘余應(yīng)力影響變形、穩(wěn)定隹、疲勞、低溫脆斷等。軋制普通工字鋼的軋機(jī)只有兩個(gè)水平軋輥。滾軋成型時(shí)，腹板所受壓力大于翼緣，翼緣所受壓力和它內(nèi)側(cè)的斜度有關(guān)。腹板的性能優(yōu)于翼緣。當(dāng)工字鋼作受彎構(gòu)件時(shí)，翼緣的應(yīng)力大于腹板，承載能力主要取決于翼緣的性能。我國(guó)規(guī)定，各類型鋼拉力實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)的樣坯都從翼緣上切取，不過，槽鋼和工字鋼拉伸試件也可以在腹板取樣。判斷鋼結(jié)構(gòu)事故應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面，化學(xué)成份不均勻；C、S、P偏析，含量外多、內(nèi)少；厚鋼板要抽查查驗(yàn)是不是有層間撕裂，利用超聲波或X射線探傷。四、矯直和熱處置鋼材熱軋冷卻后存在殘余應(yīng)力，因此矯直后的殘余應(yīng)力應(yīng)是對(duì)原始?xì)堄鄳?yīng)力進(jìn)行從頭散布。重散布使翼緣原始?xì)堄鄳?yīng)力峰值有所降低，將減輕用作壓桿時(shí)的不利作用。矯直有兩種方式，輥床調(diào)直和頂直。熱處置可以改變鋼材性能，建筑鋼材一般以熱軋狀態(tài)交貨，不進(jìn)行熱處置。熱處置包括調(diào)質(zhì)熱處置和正火。調(diào)質(zhì)熱處置包括淬火和高溫回火兩道工序。五、鋼材的勻質(zhì)和等向性鋼材內(nèi)部化學(xué)元素的散布不是完全均勻的。鋼錠的周圍部份含碳減少，從周邊到中心碳逐漸增多，硫、磷等雜質(zhì)也聚集在冷卻較慢的部份，形成偏析。型鋼截面上不同部份的屈服點(diǎn)有不同，是力學(xué)性質(zhì)上的一種非勻質(zhì)現(xiàn)象。測(cè)試力學(xué)性能的方式是在翼緣上切取試樣肯定屈服點(diǎn)比在腹板上取樣更能反映材料的實(shí)際性能。鋼材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，從力學(xué)角度來講也是一種不均勻性。鋼板的各向異性，表此刻三個(gè)方向的受力性能。沿軋制方向力學(xué)性能最好，橫向稍差。鋼板如有分層，則沿厚度方向性能最差。是不是分層，需用超聲波等手腕探傷。對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)，一是對(duì)鋼材進(jìn)行探傷檢查，并限制局部份層的面積，二是在設(shè)計(jì)時(shí)注意避免垂直于板面受拉和焊縫收縮造成層間撕裂。【加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響】一、加工對(duì)鋼構(gòu)件性能的影響鋼結(jié)構(gòu)的建造進(jìn)程分為熱加工、冷加工和冷作硬化。熱加工，如鉆孔切割，影響殘余應(yīng)力。冷加工使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降。一、冷加工的影響冷加工考慮的因素有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、冷彎性能。冷加工后，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但塑性和沖擊韌性降低。韌性降低的原因包括冷加工和時(shí)效兩種因素。鋼材的剪切和沖孔，使剪斷的邊緣和沖出的孔壁嚴(yán)重硬化，乃至出現(xiàn)微細(xì)裂紋。對(duì)于比較重要的結(jié)構(gòu)，剪斷處需要刨邊；沖孔只能用較小的沖頭，沖完再進(jìn)行擴(kuò)孔。目的都是把硬化部份除掉，以避免裂紋在必然條件下擴(kuò)展。冷彎成型后彎角部份屈服點(diǎn)大幅度提高，同時(shí)抗拉強(qiáng)度也有所提高，但塑性降低。外側(cè)沿圓弧方向?yàn)槔欤匕霃椒较驗(yàn)榫o縮，內(nèi)側(cè)沿弧線方向緊縮，沿半徑方向拉伸。當(dāng)材料彎成圓角時(shí)半徑和板厚之比越小，塑性應(yīng)變?cè)酱螅c(diǎn)提高幅度越大。Q345-16Mn，在一15°C以下不要冷加工，容易產(chǎn)生脆性斷裂。Q235-A3在一20°C以下不要冷加工，容易產(chǎn)生脆性斷裂。二、熱加工的影響熱加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接。焊接和焰割對(duì)鋼材焊接造成以下后果，焊縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材，焊縫性能不如母材好，但強(qiáng)度高；焊弧的高溫使臨近焊縫的鋼材發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，焊縫周圍性能不好，形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)包括過熱區(qū)、正火區(qū)和部份重結(jié)晶區(qū)，在疲勞情況下，熱影響區(qū)容易破壞；局部性的高溫使鋼材發(fā)生塑性變形，冷卻后存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因是熔化鐵水膨脹，未熔化部份對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力。焊縫金屬的碳含量稍低，而氮、氫、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊使熔化金屬和空氣更好的隔離，可以不同程度地氮和氧的含量。焊縫金屬含氫量高來源于大氣和焊條藥皮，包括藥皮的有機(jī)物成份和吸收的水分。當(dāng)冷卻快時(shí)氫能使焊縫金屬內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋。因此，受潮的焊條必需烘干后才能利用，重要結(jié)構(gòu)還要用低氫型焊條，以避免出現(xiàn)裂紋。焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力和熱軋構(gòu)件的一樣，在整個(gè)截面上拉壓兩部份應(yīng)力自相平衡，不同的是焊接構(gòu)件在焊縫及其近旁的殘余拉應(yīng)力特別高。三條焊縫情況要避免交叉，如不能避免，將次要焊縫斷開，不要貫通。在制造廠對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的零件下料時(shí)，要考慮施焊后冷卻的收縮而把材料適當(dāng)放長(zhǎng)。若是兩個(gè)構(gòu)件受到相連的剛性部份牽制而不能收縮，則整個(gè)構(gòu)件將產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是另一種殘余應(yīng)力，叫做反作用殘余應(yīng)力。3、熱矯正和熱成型常常利用的矯正方式是進(jìn)行局部加熱，使其冷卻后產(chǎn)生反向變形。為了避免淬火效應(yīng)，加熱溫度不該超過900°C，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定，低合金鋼在加熱矯正后應(yīng)自然冷卻。熱加工成型的構(gòu)件需要加熱到900?1000C。二、制造和安裝的誤差對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響存在初始彎曲的軸心壓桿，受壓能力降低，既受壓又受彎。存在初始彎曲的軸心拉桿，不降低經(jīng)受拉力的能力。桿長(zhǎng)度的誤差會(huì)使體系內(nèi)壓力和拉力在體系內(nèi)自相平衡。由于出此刻經(jīng)受荷載之前，稱為殘余內(nèi)力。當(dāng)殘余內(nèi)力和載荷引發(fā)的內(nèi)力同號(hào)時(shí)，將使承載能力降低?！就饨缱饔脤?duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響】外界作用包括鋼結(jié)構(gòu)建成后的利用荷載和大氣作用等。一、 多軸應(yīng)力的影響鋼材在雙向拉力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低。在異號(hào)雙向應(yīng)力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度降低，延性率增大。三向受拉塑性比雙向受拉還低，破壞將是脆性的。三軸拉應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是十分不利的。二、 加荷速度的影響建筑結(jié)構(gòu)鋼材在沖擊性的快速加載作用下維持良好的強(qiáng)度和塑性變形能力。即在20C左右的室溫環(huán)境下，鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速度的增大而提高，塑性變形能力也提高。不利方面是脆性轉(zhuǎn)變溫度隨加荷速度增加而提高。三、 循環(huán)加載的影響鋼材在多次重復(fù)荷載的循環(huán)荷載作用下滯回環(huán)飽滿而穩(wěn)定，這種好的性能為鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能能力提供了基礎(chǔ)。四、 低溫和侵蝕性介質(zhì)的影響低溫使鋼材韌性降低，溫度降低到必然程度時(shí)鋼材在沖擊荷載作用下完盡是脆性斷裂，侵蝕性介質(zhì)也會(huì)促成脆性斷裂并影響疲勞強(qiáng)度。五、 高溫的影響除有熱源的生產(chǎn)車間外，鋼結(jié)構(gòu)可能蒙受的高溫主要來自火災(zāi)。若是應(yīng)力較高，且溫度接近600°C，則高溫軟化可以致使壓桿屈曲和拉桿出現(xiàn)頸縮，需要修復(fù)、加固或改換。若是火災(zāi)后構(gòu)件沒有新的變形，一般都可以繼續(xù)安全承載。避免鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷的途徑，一是用縱火材料加以保護(hù)，二是應(yīng)用耐火鋼材。第二章鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題概述鋼結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)可以出現(xiàn)于下列六種情況：一、 整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部份作為剛體失去平衡（如傾復(fù)）；二、 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度被超過而破壞；3、 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成機(jī)動(dòng)體系（倒塌）；4、 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（屈曲等）；五、 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過度的塑性變形，而不適于繼續(xù)承載；六、 在重復(fù)荷載作用下構(gòu)件疲勞斷裂。【鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞】建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材具有很大的塑性變形能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)因抗拉強(qiáng)度不足而破壞時(shí)，破壞前呈現(xiàn)較大變形?？墒钱?dāng)結(jié)構(gòu)因受壓穩(wěn)定性不足而破壞時(shí)，可能在失穩(wěn)前只有很小的變形，即呈脆性破壞的特征。脆性破壞具有突發(fā)性，不能由變形發(fā)展的征兆及時(shí)避免，所以比塑性破壞危險(xiǎn)。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，脆性破壞的構(gòu)件的靠得住指標(biāo)應(yīng)比延性破壞者提高一級(jí)，即安全品級(jí)為二級(jí)的構(gòu)件值由提高到?！臼Х€(wěn)類別】一、 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題分為兩類：一、 第一類穩(wěn)定問題或具有平衡分岔的穩(wěn)定問題（也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。二、 第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔穩(wěn)定的問題（也叫極值點(diǎn)失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到必然程度時(shí)喪失穩(wěn)定的承載能力，屬于這一類。但某些結(jié)構(gòu)如坦拱，即即是完全彈性的，也沒有平衡分岔。二、 彈性穩(wěn)定可以分為以下三類：一、 穩(wěn)定分岔屈曲。結(jié)構(gòu)在達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，從未屈曲的平衡位形過渡到無窮臨近的屈曲平衡位形，即由直桿而出現(xiàn)微彎。爾后，變形的進(jìn)一步增大，要求荷載增加。直桿軸心受壓和平板在中面受壓都屬于這種情況。二、 不穩(wěn)定分岔屈曲。結(jié)構(gòu)屈曲后只能在比臨界荷載低的荷載下才能維持平衡位形。屬于這種情況的有經(jīng)受軸向荷載的圓柱殼和經(jīng)受均勻外壓力的全世界殼，鋼結(jié)構(gòu)常常利用的綴條柱和圓柱殼很相似。薄壁型鋼方管壓桿也在必然條件下表現(xiàn)出類似特性。3、越躍屈曲。這種屈曲的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)由一個(gè)平衡位形突然跳到另一個(gè)平衡位形，其間出現(xiàn)很大的變形。屬于這種情況的有鉸接坦拱和油罐的扁球殼頂蓋。雖然在發(fā)生越躍后荷載可以大于臨界值，但實(shí)際工程中允許出現(xiàn)這樣大的變形，因此，應(yīng)該以臨界荷載作為承載的極限。越躍屈曲雖然沒有平衡分岔，卻和不穩(wěn)定分岔屈曲有相似的地方，都是從喪失穩(wěn)定平衡后經(jīng)歷一段不穩(wěn)定平衡，然后從頭取得穩(wěn)定平衡。當(dāng)構(gòu)件有幾何缺點(diǎn)時(shí)荷載和變形的關(guān)系。對(duì)于穩(wěn)定分岔屈曲，雖然有缺點(diǎn)，荷載仍然可以高于臨界值；對(duì)于不穩(wěn)定分岔屈曲，缺點(diǎn)使承載能力受到很大傷害，荷載的極限值比無缺點(diǎn)時(shí)的臨界值大幅度降低。由此可見，屈曲為不穩(wěn)定分岔的結(jié)構(gòu)對(duì)缺點(diǎn)特別敏感。對(duì)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)一種特殊的非對(duì)稱特性：屈曲時(shí)向某一方向變形時(shí)呈穩(wěn)定分岔，向另一個(gè)方向變形時(shí)呈不穩(wěn)定分岔?！窘Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的特點(diǎn)】一、 考慮變形對(duì)外力效應(yīng)的影響在分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力以求解算它的強(qiáng)度時(shí)，除由柔索組成的結(jié)構(gòu)外，按未變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡常?？梢匀〉米銐蚓珳?zhǔn)的結(jié)果。分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題則不同，必然涉及到結(jié)構(gòu)變形后的位形和變形對(duì)外力效應(yīng)（即二階效應(yīng)）。針對(duì)未變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，不考慮變形對(duì)外力效應(yīng)的影響，叫做一階分析；針對(duì)已變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，則是二階分析。應(yīng)力問題通常都是一階分析，只有少數(shù)特殊的結(jié)構(gòu)如懸索屋蓋、桅桿結(jié)構(gòu)和懸索橋，因?yàn)樽冃螌?duì)內(nèi)力影響很大，才需要用二階分析。一般解算超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，雖然要考慮變形協(xié)調(diào)關(guān)系，并無全面考慮變形對(duì)外力效應(yīng)的影響。穩(wěn)定問題原則上都應(yīng)該用二階分析?？墒?，目前在計(jì)算框架柱穩(wěn)按時(shí)，肯定計(jì)算長(zhǎng)度雖然以已變形的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，而柱內(nèi)力卻是按一階分析算得的。若是要分析大變形、大撓度問題，曲率要用更精準(zhǔn)的表達(dá)式，這時(shí)曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間再也不存在線性關(guān)系，稱為三階分析。二、 靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)分失去意義靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的劃分，是適應(yīng)應(yīng)力問題的需要而做出的：靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析只用靜力平衡關(guān)系就夠了；超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，則還需加上變形協(xié)調(diào)關(guān)系。三、 疊加原理不適用疊加原理普遍用于應(yīng)力問題。它的應(yīng)用以知足下列兩個(gè)條件為前提：一、 材料服從胡克定律，亦即應(yīng)力與應(yīng)變成正比；二、 結(jié)構(gòu)的變形很小，可以用一階分析來進(jìn)行計(jì)算。歸納地說，也就是它既不存在物理的非線性，也不存在幾何的非線性。穩(wěn)定問題一般不符合第二個(gè)前提，因?yàn)樗枰枚A分析來計(jì)算。二階分析在曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間雖然可以看成存在線性關(guān)系，但內(nèi)力和變形之間常常是非線性關(guān)系。疊加原理不適用于二階分析。【穩(wěn)定計(jì)算中的整體觀點(diǎn)】結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力，和它的剛度密切相關(guān)。梁屈曲時(shí)兼有側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種變形。由于驗(yàn)算構(gòu)件穩(wěn)按時(shí)形式上似乎是驗(yàn)算某一截面，往往令人對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的實(shí)質(zhì)分辨不清。二者之間的原則區(qū)別是：強(qiáng)度是某一個(gè)截面的問題，而穩(wěn)定則是構(gòu)件整體問題，因?yàn)闃?gòu)件的剛度是它的整體組成所決定的，包括截面剛度和構(gòu)件長(zhǎng)度。在處置穩(wěn)定問題時(shí)，必需具有整體觀點(diǎn)。從整體上看框架的側(cè)向剛度只能由懸臂柱提供，鉸接柱毫無抗側(cè)移的能力。因此懸臂柱對(duì)左柱上端提供彈性支座的作用，它的任務(wù)就不單單是經(jīng)受本身的一半壓力，而是還要包括對(duì)左柱的支援作用，這種作用表此刻經(jīng)受水平力。水平力和壓力的合力是一個(gè)斜向作使勁。處置穩(wěn)定問題應(yīng)該有整體的觀點(diǎn)，還可以從局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系來講明。局部和整體的相關(guān)關(guān)系可以歸納為：整體缺點(diǎn)促使截面局部弱化，局部弱化反過來又影響整體承載能力。最優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)老是對(duì)缺點(diǎn)很敏感的。只要有一點(diǎn)誤差，結(jié)構(gòu)的承載能力就要下降。整體和局部等穩(wěn)，是最優(yōu)化原理在壓桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，它充分表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)缺點(diǎn)的敏感性。缺點(diǎn)可使承載能力降低很多?！痉€(wěn)定設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)原則】一、在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)不喪失穩(wěn)定，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一、 結(jié)構(gòu)整體布置必需考慮整個(gè)體系及其組成部份的穩(wěn)定性要求。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必需和結(jié)構(gòu)布置相一致。二、 桿件穩(wěn)定計(jì)算的常常利用方式，往往是依據(jù)必然的簡(jiǎn)化假設(shè)或典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必需確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。3、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必需彼此配合，使二者有一致性。第三章鋼結(jié)構(gòu)的斷裂【鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞及其原因】冷加工和鑿痕是引發(fā)脆性破壞的部份原因。焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞也有和鉚接結(jié)構(gòu)一路的地方，那就是常常發(fā)生在氣溫較低的情況，結(jié)構(gòu)的鋼材厚度較大，一般處在靜力荷載作用下，而且應(yīng)力常常并未達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力，或雖達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)力但和材料的屈服點(diǎn)還有一段距離。破壞時(shí)結(jié)構(gòu)并未超載，表明脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)的一種特殊問題。綜上所述，造成脆斷的原因有：材質(zhì)不合格，低溫沖擊韌性差，和匯交于節(jié)點(diǎn)板上各桿之間的間隙過小，低溫焊接產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。在屋蓋結(jié)構(gòu)中，桁架比實(shí)腹構(gòu)件更易脆斷。鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞事故不斷發(fā)生，除采用焊接外，還有以下原因：結(jié)構(gòu)比過去復(fù)雜，有的利用條件惡劣（如海洋結(jié)構(gòu)），有的荷載很大，鋼材強(qiáng)度和鋼板厚度都趨于提高和增大，設(shè)計(jì)時(shí)采用更精細(xì)的計(jì)算方式并利用材料非彈性性能以盡可能降低造價(jià)，致使結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)蓄比過去有所降低?！緮嗔蚜W(xué)的觀點(diǎn)】斷裂是在荷載和侵蝕性環(huán)境的作用下，裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生的。焊接進(jìn)程中可能出現(xiàn)的缺點(diǎn)，包括宏觀裂紋，如角焊縫可能存在的缺點(diǎn)，咬邊、未熔合、未焊透及氣孔等，其中以咬邊最為不利。結(jié)構(gòu)的無損探傷只有必然的靈敏度，過小的缺點(diǎn)發(fā)現(xiàn)不了。所以，即便通過探傷，也不能說構(gòu)件就不含有裂紋。依照線彈性斷裂力學(xué)，應(yīng)力強(qiáng)度因子K.a后*Q>KC，裂紋尺寸a越大，構(gòu)件所能安全經(jīng)受的應(yīng)力。就越小。裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，和構(gòu)件壓屈失穩(wěn)有些相似的地方。壓桿所能經(jīng)受的應(yīng)力為。c二兀2E/人2，長(zhǎng)細(xì)比人越大，cC越低；帶裂紋拉桿拉斷應(yīng)力七=KC/（a而Z），裂紋尺寸a越大，cC越低。建筑結(jié)構(gòu)所用鋼材屬于強(qiáng)度不高而韌性較好的鋼材，當(dāng)要解決低應(yīng)力脆斷問題時(shí)，需要用彈塑性斷裂力學(xué)代替斷裂力學(xué)來解決低應(yīng)力脆斷問題。目前可以用來衡量高韌性材料抵抗斷裂的能力的有裂紋張開位移理論（即COD理論）。依照這種理論當(dāng)薄板受拉知足條件哄ln?sec（冥）>8構(gòu)建即將開裂：公式左端代表裂紋頂端張開位移，右端是位移失穩(wěn)兀E 2f c臨界值，8C和KC一樣，屬于材料的固有特性。簡(jiǎn)化后整理得應(yīng)?C>JEf*，這就是說，韌性好的材料制成的構(gòu)件何時(shí)出現(xiàn)斷裂，也和。、b兩個(gè)因素相關(guān)。由于Sc容易實(shí)驗(yàn)，試件不要求很厚，故可由8c的實(shí)驗(yàn)值推算Kc。應(yīng)力所起的作用應(yīng)該從能量的角度來理解。因裂紋出現(xiàn)而板單位厚度釋放出的應(yīng)變能是b2 du2b2,TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"U=--^a2，則能量釋放率為G=—=—-^a。按照精準(zhǔn)計(jì)算，P的數(shù)值應(yīng)是：平面E da E應(yīng)力狀態(tài)P=兀；平面應(yīng)變狀態(tài)P=兀(1-V2)。造成裂紋需要做必然的功W，它的數(shù)值和裂紋尺寸a成正比，即半=R=常數(shù)，出現(xiàn)裂紋進(jìn)程中能量的總轉(zhuǎn)變是W+U。以裂紋出da現(xiàn)和擴(kuò)展所需要的能量W為正，在此進(jìn)程中釋放出的能量U為負(fù)。若dWdUd(W+U)八…二、… ^d(W+U)八上…、 …k+k= 一＞。，即穩(wěn)定擴(kuò)展階段；若 ~~-V0，失穩(wěn)擴(kuò)展階段。(41)\o"CurrentDocument"dada da da用高強(qiáng)度鋼材做成的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件中貯存的應(yīng)變能高，斷裂的危險(xiǎn)性也就大于用普通鋼材的結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)高強(qiáng)鋼材的韌性應(yīng)該要求更高一些。一般建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材在室溫下的斷裂韌性K^值的測(cè)試，要求很厚的試件才能知足平面應(yīng)變的條件，所以難以直接測(cè)得。鋼材的韌性目前仍是以缺口沖擊韌性作為衡量的準(zhǔn)則，并用夏比V形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)值c。實(shí)驗(yàn)表明，Kc和q的轉(zhuǎn)變規(guī)律有必然的相似性，尤其是動(dòng)力荷載作用下更為類似，脆性轉(zhuǎn)變溫度也很接近?！颈苊獯嘈詳嗔选恳?、 裂紋原始裂紋尺寸的控制主要由保證施工質(zhì)量和強(qiáng)查驗(yàn)來解決。裂紋質(zhì)量不僅涉及到裂紋，還涉及到咬邊、欠焊、夾渣和氣孔等缺點(diǎn)。因?yàn)檫@些缺點(diǎn)或本身就起裂紋的作用，或能夠引發(fā)裂紋。查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺點(diǎn)超過允許限度，就需要加以補(bǔ)救。在工程實(shí)際上，焊縫長(zhǎng)度小于6mm的裂紋在查驗(yàn)時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)焊接兩板時(shí)，需要在兩板之間墊上軟鋼絲留出裂縫，焊縫有收縮余地，裂紋就不會(huì)出現(xiàn)。在焊接進(jìn)程中，把角焊縫的表面做成凹形，有利于緩和應(yīng)力集中，可是經(jīng)驗(yàn)表明，凹形表面的焊縫，焊后比凸形的容易開裂，在凹形焊縫開裂的條件下，改用凸形縫，就再也不開裂。焊縫的收縮作用還有可能引發(fā)板的層間撕裂。綜上所述，控制焊接結(jié)構(gòu)的初始裂紋需要在焊縫設(shè)計(jì)、施焊工藝和焊后查驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)加以注意。二、 應(yīng)力考察斷裂問題時(shí)，應(yīng)力b應(yīng)是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，它不單單和荷載大小有關(guān)，也和構(gòu)造形狀及施焊條件有關(guān)。三軸同號(hào)應(yīng)力狀態(tài)的脆性破壞最為危險(xiǎn)。應(yīng)力不僅要看它的大小，更重要的是要看應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，避免焊縫過于集中和避免截面突然轉(zhuǎn)變，這樣都有助于避免脆斷。三、 材料韌性規(guī)定以夏比V形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)作為材料韌性的判據(jù)。V形缺面試件吸收的功較少，脆性轉(zhuǎn)變溫度則稍高。鋼材的斷裂有幾種不同的表現(xiàn)，即可以是脆性斷裂、韌性斷裂或兼有脆性和韌性的斷裂。脆性斷裂的宏觀特征是沒有塑性變形，斷口表面呈顆粒狀，平齊而光亮，斷面和拉伸應(yīng)力的方向垂直；韌性斷裂則有明顯的宏觀塑性變形，并出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，斷口呈纖維狀，其斷裂機(jī)理是剪切斷裂進(jìn)程。有塑性變形就要吸收較多的能量。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)系。吸收的能量可以劃分為三個(gè)區(qū)域，即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。后者屬于完全脆性的斷裂，也屬于平面應(yīng)變狀態(tài)。所以沖擊韌性的指標(biāo)宜在彈塑性區(qū)域。加荷速度也是一個(gè)影響能量吸收額的很是重要的因素。隨著加荷速度的減小，曲線向溫度較低的方向移動(dòng)。有些結(jié)構(gòu)的鋼材在工作溫度下沖擊韌性很低，但仍能維持完好，就可以夠由加荷速度來講明。對(duì)于同一沖擊韌性的材料，當(dāng)設(shè)計(jì)經(jīng)受動(dòng)力荷載時(shí)，允許最低的利用溫度要比經(jīng)受靜力荷載高得多。加荷速度分為三級(jí)，緩慢加荷8=10-5S-1，中速加荷8T0-3S-1，動(dòng)力加荷8=10S-1。當(dāng)應(yīng)變率低于緩慢加荷10-3S-1時(shí)屬于準(zhǔn)靜態(tài)情況，應(yīng)變率效應(yīng)可以略去不計(jì)。把加荷速度分為二級(jí)，其中R1為靜力及緩慢加載，適合于經(jīng)受自重、樓面荷載、車輛荷載、風(fēng)及波浪荷載和提升荷載的結(jié)構(gòu)；R2級(jí)為沖擊荷載，適用于高應(yīng)變速度如爆炸和沖撞荷載。因此，除遭強(qiáng)烈地震作用解決外，建筑結(jié)構(gòu)通常都可列為準(zhǔn)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，即在考慮荷載的動(dòng)力系數(shù)后按靜態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)待，不過經(jīng)受多次循環(huán)荷載時(shí)需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。鋼材的厚度對(duì)它的韌性也有影響。薄板斷裂時(shí)幾乎呈完全韌性的剪切斷口，厚度稍大則呈韌性和脆性混合的斷口；厚板呈脆性的平斷口。作為材料的韌性指標(biāo)值，應(yīng)取平面應(yīng)變狀態(tài)的斷裂韌性KIC。12mm和更厚的板，沖擊實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣都是10mmX55mmX55mmo不同板厚的板用于同一截面尺寸的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反映不出帶切口厚板處于平面應(yīng)變狀態(tài)的不利情況。缺點(diǎn)一是當(dāng)厚板和薄板的沖擊韌性相同時(shí)，厚板的韌性比薄板的低。另一個(gè)缺點(diǎn)是難于把裂紋擴(kuò)展和裂紋形成區(qū)分開來。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可以采用全厚度的試樣做靜力拉伸實(shí)驗(yàn)或落錘實(shí)驗(yàn)。靜力拉伸實(shí)驗(yàn)的試樣雙側(cè)都有V形缺口，在不同溫度下進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)，可以通過斷口顆粒狀部份所占百分比的轉(zhuǎn)變來肯定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，也可以通過試樣拉斷的延伸率、厚度縮減率或拉伸圖所包的能量來考察向脆性的轉(zhuǎn)化。無韌性溫度NDT值比V形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)所得的轉(zhuǎn)變溫度高15-25°C，因?yàn)槁溴N實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力效應(yīng)大。對(duì)于厚度不大而韌性又高的鋼材，夏比V形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)這一指標(biāo)是靠得住的。四、 結(jié)構(gòu)形式優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式可以減小斷裂的不良后果。由于脆斷時(shí)應(yīng)力一般沒有達(dá)到設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)力，重散布后結(jié)構(gòu)仍可安全承載。當(dāng)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成超靜定的，即有贅余構(gòu)件的，可以減少斷裂造成的損失。當(dāng)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，注意使荷載能夠多路徑傳遞。多路徑不容易整體破壞，同時(shí)次要構(gòu)件和主要構(gòu)件一樣可以對(duì)多路徑傳遞作出貢獻(xiàn)。從控制脆斷的角度考慮，多路徑傳遞優(yōu)于單路徑傳遞。當(dāng)對(duì)梁做防斷裂設(shè)計(jì)時(shí)，若是受拉翼緣由一塊厚板組成，材料的韌性要求應(yīng)優(yōu)于多層較薄的板，才能夠取得統(tǒng)一的安全保證。當(dāng)腹板與翼緣板之間有間隙連接時(shí)，有利于裂痕到裂縫處停止。梁腹板和翼緣之間不受垂直于間隙的拉力，這是允許間隙存在的一個(gè)條件。五、 鋼材選用設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，鋼材的選用也是避免脆斷的因素之一。【應(yīng)力侵蝕開裂】用七=偵扁?b>KC作為判斷構(gòu)件是不是會(huì)斷裂的準(zhǔn)則，只適用于處于非侵蝕性環(huán)境的構(gòu)件。在侵蝕性介質(zhì)中，雖然應(yīng)力低于K/值，通過一按時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力侵蝕開裂，也叫做滯后斷裂或延遲斷裂。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：構(gòu)件中原來存在的小裂紋在侵蝕性介質(zhì)作用下隨著時(shí)間的增加而逐漸擴(kuò)展，待達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件就會(huì)突然脆斷。應(yīng)力侵蝕斷裂主要發(fā)生在高強(qiáng)度材料，高強(qiáng)螺栓在利用進(jìn)程中就有可能出現(xiàn)延遲斷裂的現(xiàn)象。在侵蝕性介質(zhì)中做實(shí)驗(yàn)來測(cè)定材料的斷裂韌性，所得結(jié)果要比在無侵蝕性介質(zhì)的大氣中測(cè)得的低。當(dāng)按原始裂紋算得的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子低于它的臨界值Kscc時(shí)，不論時(shí)間多長(zhǎng)，試件都不會(huì)斷裂。每一種材料在特定的侵蝕介質(zhì)中的K^c是個(gè)常數(shù)，一般Kscc=(1/2-1/5)KC。鋼材的含碳量越高，則韌性越低，抵抗應(yīng)力侵蝕斷裂的性能也越差。第四章疲勞破壞【影響疲勞破損的因素】一、 疲勞荷載鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破損是裂紋在重復(fù)或交變荷載作用下的不斷開展和最后達(dá)到臨界尺寸而出現(xiàn)的斷裂。二、 疲勞破壞的進(jìn)程一般地說，疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)際上只有后兩個(gè)階段，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)總會(huì)有內(nèi)在的微小缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)本身就起著裂紋的作用。疲勞破壞的起始點(diǎn)多數(shù)在構(gòu)件的表面。對(duì)非焊接構(gòu)件，表面上的刻痕、軋鐵皮的凸凹、軋鋼缺點(diǎn)和分層和焰割邊不平整、沖孔壁上的裂紋，都是裂源可能出現(xiàn)的地方。對(duì)焊接構(gòu)件，最常常的裂源出此刻焊縫趾處，那里常有焊渣侵入。有些焊接構(gòu)件疲勞破壞起源于焊縫內(nèi)部缺點(diǎn)，如氣孔、欠焊、夾渣等。疲勞裂紋經(jīng)歷長(zhǎng)期的荷載循環(huán)，擴(kuò)展十分緩慢；而脆性斷裂不經(jīng)長(zhǎng)期的荷載循環(huán)。當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力較小時(shí)，擴(kuò)展區(qū)所占范圍較大，而當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力很大時(shí)，擴(kuò)展區(qū)就比較小。擴(kuò)展區(qū)的表面滑膩，而且是愈近裂源愈光，這是因?yàn)榱鸭y通過量次開合的緣故。拉斷區(qū)可以是脆性的顆粒狀斷口，也可以時(shí)帶有必然韌性的斷口。三、 疲勞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果滑膩試件的疲勞強(qiáng)度明顯高于帶槽試件，這是因?yàn)閹Р墼嚰膽?yīng)力集中使疲勞強(qiáng)度降低。因此，應(yīng)力集中是研究疲勞問題的重要因素。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力集中的程度由構(gòu)造細(xì)節(jié)決定。有橫向?qū)雍缚p的試件的疲勞強(qiáng)度。隨焊縫余高角度°的轉(zhuǎn)變情況：角度°愈小，max應(yīng)力集中愈嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度愈低。應(yīng)力循環(huán)的特征可以由最小、最大應(yīng)力的比值R=。min/。max來表示，以拉應(yīng)力為正。四、 斷裂力學(xué)的分析用斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)考察疲勞問題，首先是分析裂紋擴(kuò)展速度。帶裂紋的鋼構(gòu)件是不是進(jìn)一步開裂，取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子K[=aM^是不是超過材料的斷裂韌性KC。應(yīng)力強(qiáng)度因子是對(duì)裂紋頂端周圍應(yīng)力和應(yīng)變的一個(gè)氣宇。裂紋的擴(kuò)展速度取決于K的轉(zhuǎn)變幅度△K-K-K_，即-^^=C(AK)a，此式常稱為Paris定律，式中n和C為與材料有關(guān)的常數(shù)。由于工程設(shè)計(jì)頂用名義應(yīng)力計(jì)算，不計(jì)入應(yīng)力集中系數(shù)和殘余應(yīng)力影響，C還和構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān)。嚴(yán)格地說，C，n不僅和材料有關(guān)，也和平均應(yīng)力及環(huán)境有必然關(guān)系。對(duì)于擴(kuò)展速度受R值影響的區(qū)域，可以用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅氣代替AK，則疲勞壽命的表達(dá)式為N=1』“2二^，式中a和a別離是裂紋的初始尺寸和裂紋緩慢擴(kuò)展階段結(jié)束時(shí)的Ca(AK)n 1 2尺寸。用Ab來表示應(yīng)力幅，即Ab=bi/b，則有N=(Ab)-n對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，n值常在?之間，可取為。GB50017規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力幅的計(jì)算公式是［Ab］=(C)邛。n五、 環(huán)境的影響對(duì)于長(zhǎng)壽命的疲勞，侵蝕的不利影響要比短壽命疲勞嚴(yán)重的多。侵蝕對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展速度的影響和疲勞荷載的頻率有關(guān)：頻率愈低影響愈大，但在擴(kuò)展速度低的范圍內(nèi)無明顯影響。六、 提高疲勞壽命在一樣的應(yīng)力幅作用下，結(jié)構(gòu)沒有焊縫(也沒有截面轉(zhuǎn)變)的部位，疲勞破壞前的循環(huán)次數(shù)高于有對(duì)接焊縫的部位，后者又高于有角焊縫的部位。延長(zhǎng)疲勞壽命有三種方式。首先是減小初始裂紋尺寸ai，若是把匕減小為號(hào)2，則構(gòu)件所能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)增加AN1。這個(gè)增加很是樂觀，原因是在裂紋尺寸很小時(shí)，擴(kuò)展速度da/dN很低。其他兩種方式是降低構(gòu)件所經(jīng)受的應(yīng)力和采用韌性較好的材料。【疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則】一、 大體原則在實(shí)際工程中，安全壽命法和破損安全法往往是結(jié)合在一路的。首先按安全壽命法的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取在利用期限不出現(xiàn)裂紋，同時(shí)也注意荷載的多路徑傳遞和結(jié)構(gòu)各部份都易于檢查，在意外地出現(xiàn)裂痕時(shí)仍然保證安全。土建結(jié)構(gòu)的疲勞破壞可以采用利用壽命法來代替安全壽命法。二者的不同是，前者在結(jié)構(gòu)達(dá)到安全利用壽命時(shí)不當(dāng)即報(bào)廢，而且承認(rèn)在達(dá)到安全壽命前有可能出現(xiàn)疲勞裂痕。在利用壽命期間還需要注意的一個(gè)問題，就是荷載有無轉(zhuǎn)變。若是造成疲勞的荷載比設(shè)計(jì)值增大，就需要對(duì)壽命做出新的估算。二、 應(yīng)力比準(zhǔn)則和應(yīng)力幅準(zhǔn)則自從焊接結(jié)構(gòu)用于經(jīng)受疲勞荷載以來，工程界從實(shí)踐中逐漸熟悉到和這種結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)的不是應(yīng)力比R，而是應(yīng)力幅Ab。應(yīng)力幅準(zhǔn)則的計(jì)算公式是Ab＜［Ab］，［Ab］是允許應(yīng)力幅，它隨構(gòu)造細(xì)節(jié)而不同，也隨破壞前循環(huán)次數(shù)轉(zhuǎn)變。焊接結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算宜以應(yīng)力幅為準(zhǔn)則，原因在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力。如前面所述，疲勞裂紋的起源常在焊趾或焊縫內(nèi)部的缺點(diǎn)，而焊縫及其近旁常常存在高達(dá)材料屈服點(diǎn)的拉伸殘余應(yīng)力。焊縫旁實(shí)際應(yīng)力的轉(zhuǎn)變范圍：不論脈沖循環(huán)仍是對(duì)稱循環(huán)，只要應(yīng)力幅相同，對(duì)構(gòu)件疲勞的實(shí)際效果就相同，而和應(yīng)力循環(huán)特征R或平均應(yīng)力無關(guān)。裂紋擴(kuò)展只取決于施加的應(yīng)力幅。有縱向角焊縫的試件在疲勞強(qiáng)度時(shí)，對(duì)R<0的試件，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大，而對(duì)R>0的試件影響不大。對(duì)于R>0的應(yīng)力循環(huán)，應(yīng)力幅準(zhǔn)則完全適用，因?yàn)橛袣堄鄳?yīng)力和無殘余應(yīng)力的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度相差不大。對(duì)于R<0的應(yīng)力循環(huán)，采用應(yīng)力幅準(zhǔn)則偏于安全較多。GB50017規(guī)范對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)一概取下列有效應(yīng)力幅：聶。二。max-0.7bmin，此式在應(yīng)力循環(huán)不變號(hào)時(shí)稍偏安全，但一般并非過度安全。三、構(gòu)造細(xì)節(jié)分類和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)構(gòu)件和連接的焊縫及其近旁有很高的殘余拉應(yīng)力。因此，即便施加的應(yīng)力循環(huán)完全在壓力范圍內(nèi)，實(shí)際的應(yīng)力波動(dòng)仍然是在拉力范圍內(nèi)。在這樣的條件下，壓力范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)仍然有可能造成疲勞裂紋?？墒牵鸭y一旦出現(xiàn)，殘余應(yīng)力取得釋放，就不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。因此，GB50017規(guī)范規(guī)定：在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞。在用應(yīng)力幅準(zhǔn)則驗(yàn)算時(shí)，［Ac］按有關(guān)規(guī)范中構(gòu)造細(xì)節(jié)分類的規(guī)定來查用。景按一般計(jì)算方式肯定，沒必要計(jì)算殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，因?yàn)閾?jù)以肯定［Aq］的試件都含有殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。特殊情況，橫向?qū)雍缚p上鉆孔，而［aq］按焊接連接去查歷時(shí)，Ac就必需乘以相應(yīng)集中系數(shù)。四、變幅疲勞荷載荷載變幅的疲勞問題，可以由式~N+N2+n=zn—1表達(dá)的線性積累損傷準(zhǔn)1 2 i i則來計(jì)算。式中：n為應(yīng)力幅Ac.對(duì)結(jié)構(gòu)的作用次數(shù)；N.為應(yīng)力幅Ac.常幅作用下結(jié)構(gòu)的預(yù)期壽命。幾種不同應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)作用的前后順序不影響疲勞壽命。對(duì)于焊接構(gòu)件，z(n/N)常大于1，則用線性積累損傷準(zhǔn)則計(jì)算的一般能保證安全。ii線性積累損傷準(zhǔn)則則由于利用方便，此刻仍是最通行的方式。在具體應(yīng)用這一準(zhǔn)則時(shí)，可以采用等效常應(yīng)力幅代替變更的應(yīng)力幅?！阯(Ac)n1n等效應(yīng)力幅Ac=—￡i ，把等效應(yīng)力幅除以滿載時(shí)的應(yīng)力幅可得應(yīng)力幅降ei低系數(shù)a=Ace/Ac1(也叫次載系數(shù))。上式就是GB50017規(guī)范的公式，只是符號(hào)略有不同。在變幅疲勞的計(jì)算中還需要解決一個(gè)問題，即如何肯定各應(yīng)力幅A。.的作用頻數(shù)ni目前存在多種計(jì)算法。其中最常常利用的是雨流法。【疲勞實(shí)驗(yàn)和查驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)研究可以分為兩類，一類是典型的連接細(xì)節(jié)的疲勞實(shí)驗(yàn)，目的在肯定Ac-N曲線和在細(xì)節(jié)分類中的歸屬等。另一類是整個(gè)構(gòu)件的疲勞實(shí)驗(yàn)，目的在查驗(yàn)一項(xiàng)具體設(shè)計(jì)的抗疲勞性能。有時(shí)這種實(shí)驗(yàn)也用來考察某一典型連接細(xì)節(jié)的疲勞性能。從彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，小尺寸試件的疲勞強(qiáng)度比大尺寸試件稍高。另外，厚度很大的板質(zhì)量也不如中、小厚度板。對(duì)經(jīng)受疲勞荷載的構(gòu)件，特別是容易開展疲勞裂紋的部位必需增強(qiáng)查驗(yàn)。查驗(yàn)包括外觀檢查和無損檢查。外觀檢查要求仔細(xì)查看焊體周圍區(qū)域和平行于焊縫的板邊緣，尋覓有無裂紋和層間撕裂。檢查人員要有豐碩經(jīng)驗(yàn)，并借助放大鏡和照明設(shè)備進(jìn)行工作，才能發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂紋。外觀檢查是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，表面完好往往是焊接工作做的不錯(cuò)的標(biāo)志。無損檢查有多種方式，包括磁性顆粒法、染色體滲透法、射線照相檢查、超聲探傷法。磁性顆粒法可用以檢查出金屬表面裂紋或緊靠表面的內(nèi)部缺點(diǎn)，最適合于壁厚不超過6.5mm的小型鋼管連接。在查驗(yàn)時(shí)對(duì)焊縫區(qū)施以壯大磁場(chǎng)，并鋪一層磁鐵顆粒。裂紋和夾雜等缺點(diǎn)切斷磁力線，使粉末集中在這些區(qū)域。焊接產(chǎn)生的磁力性能的不同時(shí)?？梢詻]必要施加磁場(chǎng)而也能用磁性顆粒來查驗(yàn)。裂紋的深度可以通過打磨或超聲方式來測(cè)出。染色液體滲入法是使帶染料的液體滲入表面的細(xì)裂紋，然后通過顯色劑，把染料吸上來以顯示裂紋輪廓。射線照相檢查是依托電磁射線來肯定焊縫是不是完好。X光線和Y射線都能穿透像焊縫這樣的非透明體。在焊縫背后放上敏感膠片，即可取得焊縫結(jié)構(gòu)的永久記錄。射線照相法雖然是探查氣孔和夾渣等缺點(diǎn)極好的辦法，但在實(shí)踐中對(duì)檢查某些焊縫連接不適用。超聲探傷從20世紀(jì)60年代以來逐漸成為焊接結(jié)構(gòu)連接無損檢查的最重要方式。此法利用高頻率聲波來檢查和測(cè)定母材在焊接前的缺點(diǎn)和焊接連接的缺點(diǎn)，它對(duì)表面裂紋和內(nèi)部裂紋都很敏感。此法對(duì)查找線缺點(diǎn)和平面缺點(diǎn)諸如未焊透、分層和裂紋十分靈敏。超聲查驗(yàn)也受到一些限制，粗糙的表面會(huì)使靈敏度和靠得住度降低，它不能像射線照相法那樣提供永久性記錄。另外，氣泡、夾渣等球狀缺點(diǎn)不那么容易檢查出來，因?yàn)槌暡ㄅ龅剿鼈儠r(shí)會(huì)從隔壁繞過而不是像碰到線性缺點(diǎn)那樣被反射歸去。超聲技術(shù)在實(shí)踐中只限于用在板厚以上的連接。經(jīng)受疲勞作用的結(jié)構(gòu)在服役期間需要按期檢查。一旦發(fā)生裂紋后，檢查距離時(shí)間應(yīng)不斷縮短，原因是隨著裂紋尺寸擴(kuò)展，開裂速度加速，對(duì)應(yīng)于同一裂紋擴(kuò)展量Aa，時(shí)間距離AT愈來愈短?！咎岣咂谛阅艿墓に囖k法】工藝辦法的目的是緩和應(yīng)力集中程度、消除切口，或是在表層形成緊縮殘余應(yīng)力。緩和應(yīng)力集中的最普遍方式是磨去焊縫的表臉部份，如對(duì)接焊縫的余高。對(duì)角焊縫打磨焊趾，可以改善它的疲勞性能。焊縫的趾部常常存在咬邊形成的切口，而且還有焊渣侵入。打磨后的表面不該存在明顯的刻痕。對(duì)于角焊縫的趾部用氣體保護(hù)鎢弧使從頭熔化，可以起消除切口的作用。這種方式在不同應(yīng)力幅情況下疲勞壽命都能一樣提高。在焊縫和近旁金屬的表層形成緊縮殘余應(yīng)力，是改善疲勞性能的一個(gè)有效方式。用噴射金屬丸粒或錘擊進(jìn)行敲打。梁的疲勞實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)在它未經(jīng)受荷載前進(jìn)行敲擊處置，不如在經(jīng)受荷載后處置的效果好。上述各類辦法對(duì)不同的連接構(gòu)造疲勞性能的提高，其效果不盡相同。這些辦法對(duì)fy高于400N/mm2的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，要比普通碳素鋼更為有效。這是因?yàn)椋海?）高強(qiáng)鋼材試件的疲勞強(qiáng)度高于低碳素鋼，原因是它的裂紋形成階段比后者長(zhǎng)。若把焊接結(jié)構(gòu)的初始缺點(diǎn)消除，效果就十分可觀。（2）高強(qiáng)鋼材焊接后殘余拉應(yīng)力高于低碳鋼的。施加殘余壓應(yīng)力以改善連接的疲勞性能，也優(yōu)于低碳鋼。第五章拉桿【拉桿的極限狀態(tài)】一、無孔拉桿焊接結(jié)構(gòu)中的拉桿，完全沒有螺栓孔（或鉚釘孔）者，屬于無孔拉桿。實(shí)際工程中的構(gòu)件總會(huì)有些幾何尺寸的誤差，其中包括初始彎曲和力作用點(diǎn)的誤差；另外，還會(huì)有殘余應(yīng)力。初始彎曲并非降低拉桿承載能力，只不過要使拉桿變形增大。在不產(chǎn)生疲勞的靜力荷載作用下，殘余應(yīng)力對(duì)拉桿的承載能力也沒有影響。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力不論是熱軋引發(fā)的，仍是焊接造成的，也不論其散布圖形如何，都有一個(gè)一路的特點(diǎn)，就是拉、壓兩種殘余應(yīng)力在截面上彼此平衡。拉桿截面若是有突然轉(zhuǎn)變，則應(yīng)力在轉(zhuǎn)變處的散布再也不是均勻的。設(shè)計(jì)拉桿應(yīng)該以屈服作為承載能力的極限狀態(tài)。屈服結(jié)束進(jìn)入應(yīng)變硬化時(shí)的應(yīng)變值￡“，據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料是8y的?倍。如按12倍計(jì)算，則￡廣12XX10-=，即屈服使材料每米伸長(zhǎng)。二、有孔拉桿有孔拉桿可以分為兩種類型:一種是鉚接結(jié)構(gòu)中的組合構(gòu)件，沿整個(gè)長(zhǎng)度都散布有鉚釘;另一種是型鋼和焊接結(jié)構(gòu)，僅在端部和其他構(gòu)件用螺栓或鉚釘連接。前一種構(gòu)件應(yīng)該以凈截面屈服為承載能力的極限狀態(tài)，目前很少利用，后一種構(gòu)件應(yīng)用較多。它的承載能力極限狀態(tài)要從毛截面和凈截面兩方面來考慮。就毛截面來講，極限狀態(tài)仍然是應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)；就凈截面來講，則應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度。u時(shí)才是極限狀態(tài)。毛截面屈服和凈截面拉斷何者控制設(shè)計(jì)，要通過比較，比較時(shí)注意對(duì)二者采用不同的安全系數(shù)。凈截面應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度，構(gòu)件就要被拉斷?？梢愿郊右粋€(gè)系數(shù)y =?。因此，設(shè)計(jì)拉桿時(shí)拉力不該超過八和一Ja，ru yyynY是抗力分項(xiàng)系數(shù)，A和A^別離是毛截面和凈截面面積。由毛截面控制設(shè)計(jì)的條件是Q235鋼，A>炫A=0.78A；Q345鋼，A>1.25A=0.92A。Q235鋼拉桿一般不會(huì)由凈n1.60 n1.36截面強(qiáng)度控制，因?yàn)锳n/A通常不低于。對(duì)Q345鋼的構(gòu)件，若是要毛截面屈服控制，排列螺栓時(shí)需要注意在垂直拉力的方向不能太密。屈強(qiáng)比匕/fy一般隨材料強(qiáng)度的提高而降低。初始彎曲和殘余應(yīng)力對(duì)有孔拉桿的影響和無孔拉桿的影響沒有區(qū)別。有孔拉桿受力的一個(gè)特殊情況，是孔洞造成的應(yīng)力集中。當(dāng)結(jié)構(gòu)承載靜力荷載時(shí)，只要材料有足夠的塑性和韌

性，則在應(yīng)力頂峰處材料屈服后，應(yīng)變?cè)龃蠖粩嗔?，?yīng)力散布逐漸平緩。最后，凈截面全數(shù)屈服，和沒有應(yīng)力集中的情況一樣。殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中不降低拉桿的靜力強(qiáng)度，靠的都是鋼材的塑性。由此可見，塑性變形的性能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)十分重要?？着詰?yīng)力集中不影響桿的強(qiáng)度?！緝艚孛娴男省吭O(shè)計(jì)拉桿的拼接一般都注意截面的各部份盡可能能取得直接拼接。直接傳力的條件下，凈截面全數(shù)有效。在節(jié)點(diǎn)上用兩塊節(jié)點(diǎn)板連于翼緣，而腹板沒有任何連接。這時(shí)，凈截面的強(qiáng)度就不能完全發(fā)揮出來。設(shè)拉斷力為N，A和氣別離是毛截面和凈截面面積，即N<Af,以A=N/f作為有效凈截面，則凈截面的效率門=A/A，門的數(shù)值和很多因素有關(guān)，e u en其中一個(gè)重要因素就是構(gòu)件截面上的材料相對(duì)于節(jié)點(diǎn)板的散布情況。材料貼于節(jié)點(diǎn)板并和節(jié)點(diǎn)板相連的部份占的比重越大，門就接近于1。這部份比重可以由構(gòu)件截面形心到節(jié)點(diǎn)板的距離來衡量。偏心距越大，則未直接連接于節(jié)點(diǎn)板的部份越大，散布情況越不利。對(duì)于雙節(jié)點(diǎn)板的連接，每塊節(jié)點(diǎn)板分擔(dān)構(gòu)件內(nèi)力的一半。因此，距離為半截面形心至節(jié)點(diǎn)板的距離。按如實(shí)驗(yàn)資料，凈截面的效率還和連接長(zhǎng)度l有關(guān)。l值大者效率比小者高。桿寬度越大而連接長(zhǎng)度越小，則危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力散布越不均勻。構(gòu)件拉斷時(shí)，危險(xiǎn)截面的應(yīng)力還不能完全均勻，從而使構(gòu)件承載能力降低。這種不均勻的現(xiàn)象起因于正應(yīng)力是靠剪力的作用逐漸由集中而轉(zhuǎn)化為均勻的。板的寬度越小，即需要傳播的范圍越窄，均勻散布也就可以夠在越短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這種正應(yīng)力散布不均勻現(xiàn)象稱為剪切滯后。影響凈截面效率的還有一些其他因素，如材料的塑性、制孔的方式和緊固件的排列等。強(qiáng)度高而塑性低的材料，凈截面效率門比式門=1-1/1的低。采用沖成的栓孔，也會(huì)使門降低，需要在門=1-1/1的基礎(chǔ)上乘以。緊固件排列的影響主要體此刻行距g和孔距d的比值。行距大者效率較低。綜上所述，在按凈截面拉斷設(shè)計(jì)拉桿時(shí)，不僅要用凈截面進(jìn)行計(jì)算，還要注意凈截面是不是全數(shù)有效，并引進(jìn)必要的系數(shù)門。無孔拉桿雖然不以凈截面拉斷作為極限狀態(tài)，但在截面僅部份直接連接的情況下，端部仍然存在剪切滯后現(xiàn)象?！窘卿摾瓧U】?jī)?nèi)力不大的拉桿，常常利用角鋼來做。其中最簡(jiǎn)單的是單角鋼拉桿。這種拉桿可以貼于節(jié)點(diǎn)板的一側(cè)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，但連接有偏心作用；也可以對(duì)稱于節(jié)點(diǎn)板放置，其連接沒有偏心，但需要在桿端開槽或節(jié)點(diǎn)板上開槽，才能插入。雙角鋼拉桿是角鋼拉桿中最多見的形式。兩根角鋼或是一路連于一塊節(jié)點(diǎn)板，或是別離連于兩塊節(jié)點(diǎn)板。后一情況，兩角鋼應(yīng)該用綴材加以聯(lián)系。一、單角鋼拉桿貼于節(jié)點(diǎn)板一側(cè)的單角鋼拉桿構(gòu)造簡(jiǎn)單，但受力情況卻比較復(fù)雜。由于只有一個(gè)肢和節(jié)點(diǎn)板連接，節(jié)點(diǎn)板傳來的力不通過截面形心，角鋼偏心受拉，而且繞截面兩主軸都有彎矩。1eIxeIy在彈性范圍內(nèi)截面任一點(diǎn)的應(yīng)力。=N;+廣（y-弋1）+尸（x-十），其中，I為AIIII xymymxmyII-12 II-12對(duì)xy軸的慣性積、= 一乎,I= —斗。通常拉力N作用在節(jié)點(diǎn)板的中平面y x內(nèi)，即距離角鋼背ab半個(gè)節(jié)點(diǎn)板厚度。N位于角鋼肢寬一半處時(shí)截面上最大應(yīng)力的絕對(duì)值最小，受力情況最有利。這就是說，角鋼肢尖和肢背的連接焊縫宜各取需要焊縫總量的一半，而不是像雙角鋼拉桿那樣按和分派。單角鋼拉桿在偏心受力的狀態(tài)下，若是桿端連接有足夠強(qiáng)度，桿件最后將在連接焊縫端部拉斷。拉斷前雖然截面能夠完全屈服，但終因彎矩存在而使完全屈服的拉力和極限拉力都稍低于軸心壓桿。我國(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)小組完成的實(shí)驗(yàn)表明，單肢連接的單角鋼拉桿的極限拉力和軸心拉力的相差不很差異，一般都能達(dá)到軸心拉桿承載能力的80%以上，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可以看成軸心拉桿計(jì)算，不過要把構(gòu)件及其連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以。GB50017規(guī)范就是這樣規(guī)定的。二、 雙角鋼拉桿為了避免綴板受壓屈曲，雙角鋼拉桿必需有足夠的厚度，同時(shí)綴板應(yīng)盡可能靠近桿端，以保證節(jié)點(diǎn)連接的良好性能。三、 桁架單角鋼腹桿的布置單角鋼經(jīng)常常利用作輕型桁架的腹桿。T形鋼作為弦桿的輕型桁架的兩種不同的腹桿布置：一種是腹桿連在弦桿的同側(cè)，另一種則在雙側(cè)交替布置。在雙側(cè)交替布置，腹桿軸線在桁架平面內(nèi)可以匯交于弦桿軸線，不對(duì)后者造成偏心受力，似乎是可取的。在桁架平面外的偏心力矩只能由腹桿承擔(dān)，因?yàn)橄覘U的抗扭剛度很小。因此腹桿在弦桿雙側(cè)交替布置時(shí)，腹桿的彎曲應(yīng)力要比同側(cè)布置大很多?！韭菁y拉桿】用圓鋼做成的拉桿，當(dāng)長(zhǎng)度較大時(shí)，很容易因自重而下垂。若是桿端部有螺紋，或中部設(shè)置花籃螺栓，使通過扭緊螺帽而產(chǎn)生一點(diǎn)預(yù)拉力，就可以避免下垂。有效截面積在凈截面積和毛截面積之間，可以按下式計(jì)算：A=vD2(1-kp，式中，e4 DD為螺桿公稱直徑；p為螺距；k為系數(shù)，對(duì)公制粗牙螺紋可取。上式相對(duì)于有效直徑為D=D-0.9382p。第六章軸心壓桿【軸心壓桿的極限狀態(tài)】一、軸心壓桿的失穩(wěn)形式軸心壓桿承載能力的極限狀態(tài)是喪失穩(wěn)定，完善彈性直桿失穩(wěn)的臨界力，可由歐拉公式得出，歐拉公式給出的臨界力Ne=兀2EI/12，是桿件能夠繼續(xù)維持直線平衡形式的極限荷載，達(dá)到這一荷載后桿件就發(fā)生彎曲變形。喪失直線形式的平衡并非必然是由直變彎，也可能由直變扭，即呈扭轉(zhuǎn)屈曲。按照彈性穩(wěn)定理論，兩頭鉸支且翹曲無約束的桿，當(dāng)截面為雙軸對(duì)稱或極對(duì)稱時(shí)，扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界力%=(GI+兀2EIw/12)/i2，其中，GI是桿自由扭轉(zhuǎn)剛度；EIw是桿約束扭轉(zhuǎn)剛度；i0是截面關(guān)于剪心的極回轉(zhuǎn)半徑。一根具體的軸心壓桿，達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)時(shí)究竟呈彎曲屈曲仍是扭轉(zhuǎn)屈曲，要看它的材料和截面特征EIy、EIw、GIt和長(zhǎng)度l的大小。除彎曲屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲外，軸心壓桿還有另外一種可能的失穩(wěn)形式，即彎曲和扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生的彎扭屈曲。對(duì)兩頭鉸支且翹曲無約束的彈性桿，彎扭屈曲臨界力N，即%(N-Np(N「N「一N\y2=0。其中，Ny為按歐拉公式計(jì)算的繞y軸彎曲屈曲的臨界力；%為扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力；y,為剪心坐標(biāo)。當(dāng)截面繞對(duì)稱軸彎曲剛度較小，扭轉(zhuǎn)剛度也不大時(shí)，彎扭屈曲成為這種桿件承載能力的極限狀態(tài)。用作軸心壓桿的單軸對(duì)稱截面，常見的有T形截面，可以是軋制的、焊接的或由H型鋼一分為二切成的。這種截面用作桁架弦桿構(gòu)造方便，可以省去節(jié)點(diǎn)板。雙角鋼組合而成的T行截面也是桁架常見的截面。單角鋼不僅用于輕型桁架的腹桿，而且大量用于塔架。軸心壓桿采用沒有對(duì)稱軸的截面，繞兩主軸彎曲都會(huì)伴隨有扭轉(zhuǎn)，使臨界荷載老是低于彎曲屈曲臨界力，也低于扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力。不等邊的單角鋼就屬于這種情況。設(shè)計(jì)單角鋼軸心壓桿，應(yīng)注意，除垂直于對(duì)稱軸的主軸x夕卜，繞其他軸彎曲都會(huì)受到扭轉(zhuǎn)的影響。據(jù)電力建設(shè)研究所的實(shí)驗(yàn)資料，臨界力因扭轉(zhuǎn)而降低的相當(dāng)于計(jì)算長(zhǎng)度增大10%?20%。二、缺點(diǎn)的影響軸心壓桿三種不同失穩(wěn)形式的臨界力。三種不同失穩(wěn)形式針對(duì)完全彈性的材料和完善而無缺點(diǎn)的桿推得的，還不能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算。現(xiàn)實(shí)的鋼壓桿是用彈性材料制成的，它既有幾何缺點(diǎn)又有力學(xué)缺點(diǎn)。幾何缺點(diǎn)主如果桿件并非直桿，或多或少有一點(diǎn)初始彎曲，也可能有一點(diǎn)初始扭曲。另外，截面并非完全對(duì)稱，從而形成初始偏心。力學(xué)缺點(diǎn)包括屈服點(diǎn)在整個(gè)截面上并非均勻和殘留應(yīng)力。對(duì)壓桿性能影響最大的是初始彎曲和殘余應(yīng)力。初始偏心的影響和初始彎曲大體相同，常和殘余應(yīng)力并在一路考慮。初彎曲的存在使軸心壓桿喪失穩(wěn)定的性質(zhì)發(fā)生了改變。直桿在荷載達(dá)到臨界力時(shí)失穩(wěn)，屬于平衡分岔問題，在彈性范圍內(nèi)。隨著荷載和撓度的增大，部份截面進(jìn)入塑性，桿件的剛度逐漸降低。初始扭曲使桿件受壓收產(chǎn)生扭矩和剪應(yīng)力。剪應(yīng)力和壓應(yīng)力相配合，使桿件提前屈服，從而影響桿件承載力。殘余應(yīng)力在壓桿截面上的散布轉(zhuǎn)變無窮，它既和軋制后的冷卻、焰割、焊接等進(jìn)程有關(guān)，也和材料厚度和截面組成形式有關(guān)。同一型式但尺寸不同的截面，殘余應(yīng)力散布還會(huì)有不小的不同。軋制型鋼殘余應(yīng)力的絕對(duì)值不受其屈服點(diǎn)的影響。因此，隨著材料屈服點(diǎn)提高，殘余應(yīng)力的影響相對(duì)降低。相對(duì)厚度大者殘余應(yīng)力大。焊接截面在焊縫處一般都有高達(dá)材料屈服點(diǎn)的殘余拉應(yīng)力。厚板焊成的截面殘余應(yīng)力不僅高于薄板焊接截面，而且還有沿板厚轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。殘余應(yīng)力對(duì)壓桿性能的影響程度，主要取決于殘余壓應(yīng)力的大小，它的轉(zhuǎn)變情況、散布寬度和在截面上占據(jù)的部位。原因是殘余壓應(yīng)力使壓桿的一部份提前屈服，從而減弱桿件的剛度。殘余應(yīng)力不僅對(duì)不同截面形式和不同生產(chǎn)條件的壓桿穩(wěn)定承載能力影響不同，對(duì)同一桿件的不同屈曲軸影響也不相同。對(duì)有殘余應(yīng)力的桿，若是經(jīng)退火處置使殘余應(yīng)力大體消失，則受壓承載力可以由較大提高。在實(shí)際工程中，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行退火難于做到。因此，企圖消除殘余應(yīng)力是不現(xiàn)實(shí)的。不過，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和工藝辦法，可取得比較有利的殘余應(yīng)力散布。如翼緣加焊了蓋板，翼緣不加蓋板而僅在其邊緣堆焊焊珠。對(duì)現(xiàn)有的壓桿若是荷載比原設(shè)計(jì)值增大，就可以夠采用這兩種辦法來加固，但加固施焊時(shí)可能需要用其他方式經(jīng)受此桿的荷載?！据S心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算】一、 甲曲線的肯定Nf〃軸心壓桿不致因彎曲屈曲而喪失承載能力的計(jì)算公式是一<i=f，式中，甲是軸9Arr心受壓穩(wěn)定系數(shù)。如何具體考慮幾何缺點(diǎn)和力學(xué)缺點(diǎn)的影響來肯定中系數(shù)，有兩種方式。第一種方式是采用切線模量理論，e按殘余應(yīng)力的散布決定，初始彎曲的不利作用在安全系數(shù)范圍內(nèi)考慮。第二種方式是采用極限承載能力理論，同時(shí)計(jì)入初始彎曲和殘余應(yīng)力的效應(yīng)。由于初始彎曲在實(shí)際構(gòu)件中不可能完全避免，鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范又對(duì)初始彎曲的矢高有所限制，在肯定甲值時(shí)具體計(jì)入初始彎曲的效應(yīng)比較合理。目前利用最多的是極限承載力理論。甲曲線的特點(diǎn)是盡可能以統(tǒng)計(jì)和概率原理作為依據(jù)，而且理論分析和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。在理論計(jì)算中，所有幾何缺點(diǎn)、屈服應(yīng)力和殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)，都由實(shí)驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析得來。為了利用方便，甲曲線還應(yīng)該用比較簡(jiǎn)便的公式來表達(dá)公式采用Perry型式可以取得和曲線很接近的結(jié)果，即（1—甲）（1一入2甲）=a（入一0.2）甲。對(duì)于歐鋼協(xié)的a、b、c三條曲線，a別離取、、.我國(guó)為了采取多條柱曲線，做了大量的計(jì)算分析和一部份實(shí)驗(yàn)。結(jié)合我國(guó)的應(yīng)用情況，重點(diǎn)放在焊接H型鋼和雙角鋼組合截面上。其他截面如普通工字鋼、T型鋼和鋼管等也做了分析，隨后歸納為三條曲線。和歐鋼協(xié)的曲線不同的是沒有人從0?時(shí)的水平段。常常利用的雙角鋼T形截面、焰割邊的焊接工字形截面以合格構(gòu)式截面都?xì)wb曲線。因此b曲線將是設(shè)計(jì)頂用得最多的曲線。剛層建筑鋼結(jié)構(gòu)的柱子無論是H形仍是箱型截面，板件厚度常常在40mm以上，有時(shí)乃至超過100mm。當(dāng)板厚超過40mm時(shí)穩(wěn)定系數(shù)甲低于c曲線，即d曲線。箱形截面的穩(wěn)定系數(shù)甲可以用c或b曲線。二、 扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲計(jì)算用公式N=1/i2（GI+兀2EI/12）和i2（N-N）（N-N）-N2阡=0計(jì)算扭轉(zhuǎn)9 0t w 0y y。 。 y。 >4s屈曲臨界力和彎扭屈曲臨界力，只能用于彈性范圍，且沒有計(jì)入幾何缺點(diǎn)和力學(xué)缺點(diǎn)的不利效應(yīng)。對(duì)有初始扭曲和殘余應(yīng)力的十字形截面軸心壓桿的扭轉(zhuǎn)屈曲進(jìn)行研究后，得出兩種缺點(diǎn)都不可輕忽。彎扭屈曲比扭轉(zhuǎn)屈曲更復(fù)雜，目前通行計(jì)算彎扭屈曲的方式是先把問題按彈性條件轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲，然后按彎曲屈曲來考慮非彈性和缺點(diǎn)影響。歐鋼協(xié)規(guī)定計(jì)算彎扭屈曲的公式人=、;w作為通用長(zhǎng)細(xì)比，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)甲，然后進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算。其中，by。=N4/A，若是把這個(gè)彎扭屈曲應(yīng)力看成是一根長(zhǎng)細(xì)比為X、的桿的彎曲屈曲臨界力，則by。=兀2E/七2，%是把彎扭屈曲轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲的換算長(zhǎng)細(xì)比。在GB50017規(guī)范中換算長(zhǎng)細(xì)比的符號(hào)是人宓,計(jì)算公式是其中e0為截面形心至剪心的人.=^=|（人2+人2）+j（A2+人2）2一4（1-其中e0為截面形心至剪心的距離；i0為截面對(duì)剪心的極回轉(zhuǎn)半徑；人^為構(gòu)件對(duì)對(duì)稱軸的長(zhǎng)細(xì)比；氣為扭轉(zhuǎn)屈曲的換算長(zhǎng)細(xì)比，人2=i2A/（I/25.7+1/12）；l為扭轉(zhuǎn)屈曲的計(jì)算長(zhǎng)度。z0 t www把彎扭屈曲作為彎曲屈曲對(duì)待的缺點(diǎn)，有些情況下設(shè)計(jì)出的構(gòu)件偏于不安全，同時(shí)彎扭屈曲的概念受到淡化，容易被設(shè)計(jì)人員所輕忽。開口冷彎薄壁型鋼截面，因壁薄而抗扭性能低。當(dāng)為單軸對(duì)稱時(shí)，在軸心壓力作用下，繞對(duì)稱軸彎扭屈曲的問題特別突出。我國(guó)采用的方式也是通過換算長(zhǎng)細(xì)比轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲的.s2+i2 <s2+i2 i2一以e2辦法。換算長(zhǎng)細(xì)比的公式是（以x軸代表對(duì)稱軸以=入,220+J（22。）2一"0—2―，人21式中，e為剪心至形心的距離；s2=_廠（-w+0.039I），l=61，郎為和端部約束條0 A12 tww件有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)開口截面桿件兩頭鉸支且端截面自由翹曲時(shí)，以=6=；兩頭鉸支而端截面翹曲完全受到約束時(shí)，a=，6=。軸心壓桿的扭轉(zhuǎn)屈曲，一般設(shè)計(jì)規(guī)范都沒有計(jì)算規(guī)定。十字形截面的桿雖然有可能在彎曲屈曲之前發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲，可是只要注意了板件局部穩(wěn)定的要求，就不會(huì)有扭轉(zhuǎn)屈曲的危險(xiǎn)。原因是扭轉(zhuǎn)屈曲和局部屈曲都是以繞形心縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)為特征。截面用于軸心受壓時(shí)，扭轉(zhuǎn)屈曲不能等同于局部屈曲。一般說來，對(duì)板件寬厚比大而翼緣又窄者應(yīng)多加注意。設(shè)計(jì)中需要計(jì)算時(shí)，可以像計(jì)算彎扭屈曲那樣通過換算長(zhǎng)細(xì)比轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲問題。T形截面壓桿還有兩個(gè)特征值得關(guān)注。其一是板件局部屈曲和桿件整體屈曲的關(guān)系。由于板件間的相關(guān)作用，腹板和翼緣同時(shí)屈曲，其夾角維持直角。這種局部屈曲的變形模式恰好和桿件繞剪心整體扭轉(zhuǎn)屈曲一致。它們的臨界應(yīng)力必然相同。第二個(gè)特征是當(dāng)T形截面桿沿剪心縱軸經(jīng)受壓力時(shí)，繞y軸屈曲時(shí)只彎而不扭，相應(yīng)的承載能力高于荷載作用在截面形心的情況。GB50017規(guī)范對(duì)T形截面腹板寬厚比的限值（15+0.2人兒：235，，（用于熱軋剖分T形鋼）和（13+0.17人>：235，（用于焊接T形鋼）就是針對(duì)這種情況制定的。【壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度】一、桿端約束從彎曲邊界條件來講，或?yàn)橥耆D(zhuǎn)動(dòng)的鉸，或?yàn)榻^對(duì)不能轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性嵌固。實(shí)際構(gòu)件端部的構(gòu)造情況既不可能沒有一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束，也不可能絲毫不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在柱下端焊上一塊底板，沿柱的強(qiáng)軸用兩個(gè)錨栓把底板固定于基礎(chǔ)，實(shí)際上是對(duì)柱下端有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用，它的性能更接近于嵌固。實(shí)驗(yàn)表明，上端簡(jiǎn)支，下端焊接的壓桿經(jīng)受的極限荷載比上端簡(jiǎn)支，下端嵌固的桿計(jì)算臨界力大一些；比兩頭鉸支的桿更大。對(duì)焊接柱腳在不同壓力作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度做出測(cè)定，并提出了考慮柱腳約束作用的具體建議。柱上端為不動(dòng)鉸時(shí)，可采用下列計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù):H形截面繞弱軸屈曲日,=，H形截面繞強(qiáng)軸屈曲日,=，這兩個(gè)系數(shù)別離對(duì)應(yīng)于柱底約束系數(shù)G^=和。梁對(duì)柱的約束作用首先需要肯定梁柱連接處彎矩M和轉(zhuǎn)角0之間的關(guān)系，從而找出連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。這一剛度顯然和連接構(gòu)造方式有直接關(guān)系。其中，用兩頭T形鋼連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度最好，可以為是剛性連接；用端板的法蘭盤式連接的剛度次之；梁上下翼緣用角鋼或角鋼和鋼板連接剛度再次之，可以為是半剛性的；僅把梁腹板用單角鋼、雙角鋼或端板連接的，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度很小，屬于柔性連接?？隙U端的轉(zhuǎn)動(dòng)特性后，就可以夠?qū)s束的桿做穩(wěn)定計(jì)算分析，分析時(shí)考慮初始彎曲和殘余應(yīng)力的影響。陳慧發(fā)等提出一個(gè)日系數(shù)的計(jì)算公式日=1-0.017以20.6，式中a=M.丁=吝為端部約束系數(shù)，R為轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。M是有軸力作歷時(shí)的塑性鉸彎0MM k pc矩。以上是按梁無窮剛性進(jìn)行計(jì)算的。實(shí)際上梁會(huì)有變形，應(yīng)予以考慮。則轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Rk應(yīng)該為R，簡(jiǎn)化式即上=!+二，其中，I為慣性矩，L為長(zhǎng)度。a=吝。按照k RR 2EI g g M以上兩個(gè)公式，陳慧發(fā)建議設(shè)計(jì)時(shí)日系數(shù)，當(dāng)^<0.5時(shí)，r=1.0；廠〉0.5，柱繞強(qiáng)軸彎曲r=0.95，柱繞弱軸彎曲r=0.90。以上肯定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)R的方式和傳統(tǒng)的按彈性的完善直桿的計(jì)算不同。這里不僅聯(lián)系構(gòu)造的實(shí)際情況考慮了桿端約束的作用，而且計(jì)入了幾何缺點(diǎn)和力學(xué)缺點(diǎn)的影響。并把計(jì)算長(zhǎng)度推行到了彈塑性桿的范圍。二、桁架和塔架桿件計(jì)算長(zhǎng)度桁架抵達(dá)極限狀態(tài)或是因拉桿屈服，或是因壓桿屈曲。實(shí)用的設(shè)計(jì)方式并非采用桁架穩(wěn)定整體分析方式，而是簡(jiǎn)化為逐個(gè)壓桿的穩(wěn)定承載力計(jì)算。在計(jì)算時(shí)考慮其他桿件的約束效應(yīng)，由桿件計(jì)算長(zhǎng)度來表現(xiàn)。一、桁架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度在分析鋼桁架的桿件內(nèi)力時(shí)，常常假定桿件在節(jié)點(diǎn)上鉸接。這樣算得各桿的軸向內(nèi)力和實(shí)際情況出入不大。可是，鋼桁架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，無論是鉚接或焊接，實(shí)際上都接近剛節(jié)點(diǎn)，同一節(jié)點(diǎn)上各桿之間的夾角在桁架變形進(jìn)程中維持不變。由于節(jié)點(diǎn)的剛性，各桿不僅經(jīng)受軸力，也會(huì)出現(xiàn)彎曲。這種彎曲屬于二階效應(yīng)性質(zhì)，習(xí)慣上稱為次彎曲或次應(yīng)力，它的大小和桿件抗彎剛度有直接關(guān)系。桿件愈剛勁，彎矩愈大。研究表明，除桿件短而粗的桁架外，設(shè)計(jì)時(shí)一般可以不考慮次彎矩的效應(yīng)，因?yàn)椴牧暇哂泻芎玫乃苄裕涣硪环矫?，?jié)點(diǎn)剛性對(duì)壓桿屈服起有利影響，即造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的整體性，使最危險(xiǎn)的壓桿受到相鄰桿的約束作用。桁架在均勻荷載作用下，上弦各節(jié)點(diǎn)內(nèi)力不同。若是內(nèi)力不同的上弦桿各按自身的內(nèi)力選定截面，同時(shí)腹桿因截面小而剛度弱，它對(duì)弦桿的約束作用可以忽略，則這些弦桿將在同一荷載作用下同時(shí)屈曲，彼此不起約束作用?？墒?，對(duì)跨度不大的桁架，為了簡(jiǎn)化制造，通常都不轉(zhuǎn)變弦桿截面。按照按穩(wěn)定理論分析的結(jié)果提出下列計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)R=、：1―5,式4n中n是上弦節(jié)間數(shù)。在節(jié)間數(shù)量不多時(shí)，約束效應(yīng)比較顯著，原因是節(jié)間數(shù)少，貝怫鄰節(jié)間內(nèi)力相差比較差異，約束效應(yīng)就大。實(shí)際上腹桿也會(huì)起一些約束作用，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)還會(huì)比弦桿低一些。目前我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定受壓弦桿的計(jì)算長(zhǎng)度取其幾何長(zhǎng)度，即R=1，沒有利用其他弦桿的約束作用。受壓腹桿所處的情況比受壓弦桿有利。腹桿下端連于受拉下弦，而下弦的截面和剛度常比腹桿為大，約束作用較強(qiáng)。弦桿的線剛度和腹桿的線剛度比愈大，則約束作用愈大。我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定腹桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)R=0.8。若是考慮相鄰腹桿也起約束作用，日值還可以降低一些。當(dāng)相連桿件較少，我國(guó)規(guī)范規(guī)定不計(jì)約束影響，取R=1o當(dāng)腹桿體系為交叉斜桿時(shí)受下弦桿約束影響不大，計(jì)算長(zhǎng)度比幾何長(zhǎng)度減小不多，故取幾何長(zhǎng)度。若是考慮相交拉桿在節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，則當(dāng)兩斜桿的拉、壓力絕對(duì)值相等時(shí)，壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度等于其幾何長(zhǎng)度的倍。若是再計(jì)及下弦桿在端點(diǎn)的約束作用，則計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)一步減少。若是弦桿截面轉(zhuǎn)變，端部受壓腹桿來自相鄰弦桿的約束就要減弱。若是腹桿截面轉(zhuǎn)變，則中部腹桿的約束條件和桁架的荷載性質(zhì)有關(guān)：只經(jīng)受靜荷載時(shí)，腹桿和弦桿同時(shí)達(dá)到最大內(nèi)力，弦桿對(duì)腹桿絲毫沒有約束作用；當(dāng)荷載以行動(dòng)荷載為主時(shí)，腹桿內(nèi)力最大時(shí)弦桿內(nèi)力較低，則受壓弦桿和受拉弦桿都對(duì)腹桿起不同程度的約束作用。腹桿截面轉(zhuǎn)變，中部腹桿截面減小，對(duì)中部受壓最大的弦桿不利。另外，不同構(gòu)造方式的節(jié)點(diǎn)是不是都可看成完全剛性和節(jié)點(diǎn)連接在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的性能，也還需要做很多研究工作。最近幾年對(duì)桁架極限承載能力分析提出了一種分析方式，即對(duì)桁架作整體考察，計(jì)及節(jié)點(diǎn)剛性，并允許在一部份桿端出現(xiàn)塑性鉸，直至某一桿屈曲或桁架變形過大而不能繼續(xù)承載，才達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)。二、桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度弦桿在平面外的計(jì)算長(zhǎng)度取決于支撐布置情況，即等于側(cè)向支撐點(diǎn)的間距。和受壓弦桿的桁架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度一樣，不考慮節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。節(jié)點(diǎn)板垂直于桁架平面方向的抗彎剛度很小，分析腹桿在桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度時(shí)都以為兩頭鉸接，計(jì)算長(zhǎng)度即等于幾何長(zhǎng)度。前提是節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)垂直于桁架平面的位移，這或是由于節(jié)點(diǎn)處連有支撐，或是弦桿有足夠的剛度。為此需要對(duì)受拉弦桿所能提供的剛度進(jìn)行考察并提出有關(guān)的準(zhǔn)則。受拉弦桿的剛度既和它的截面積及所受拉力有關(guān)，也和縱向支撐體系布置有關(guān)，縱向支撐桿在弦桿側(cè)向彎曲時(shí)起不動(dòng)支座的作用。若是它的間距過大，受拉弦桿就可能剛度不足。一般情況下，桁架端部受拉弦桿的側(cè)向無支長(zhǎng)度不宜超過節(jié)間長(zhǎng)度的2?3倍。比較復(fù)雜的問題是交叉腹桿體系中壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度。交叉腹桿在構(gòu)造上有兩種做法：一種是兩桿在交叉節(jié)點(diǎn)處都是持續(xù)的；另一種是一桿持續(xù)，另一桿斷開用節(jié)點(diǎn)板相連。當(dāng)桿件構(gòu)造上是兩桿持續(xù)的，則需要區(qū)分桿件受拉、受壓和不受力三種不同情況分析。當(dāng)桿件受拉時(shí)，彈性支座的剛度很大，一般情況是持續(xù)的兩桿幾何尺寸、拉力、壓力大小都相同，即計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)日=;當(dāng)桿件不受力時(shí)，彈簧剛度只和桿的截面慣性矩及長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)兩桿截面、長(zhǎng)度都相同時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)日=;當(dāng)桿件受壓力時(shí)，其彈簧剛度進(jìn)一步降低。若是兩桿件尺寸和內(nèi)力相同，則二者同時(shí)屈曲，彼此之間完全沒有約束，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)日=1，這種情況下，交叉點(diǎn)彼此連接雖然沒有起到減小計(jì)算長(zhǎng)度的作用，但卻使桿件在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)受到阻礙，習(xí)慣上都按繞平行于角鋼邊的彎曲屈曲計(jì)算穩(wěn)定。還有一種情況，就是用板相連接的桿受壓而持續(xù)桿受拉。這種桿有兩種可能的失穩(wěn)形式：當(dāng)彈簧剛度強(qiáng)而桿剛度弱時(shí)，彈簧支座不動(dòng)而桿彎曲屈曲；反之當(dāng)彈簧剛度較弱時(shí)，則彈簧拉開而屈曲。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該要求彈簧有足夠的剛度。以上所述主如果應(yīng)用彈性穩(wěn)定理論進(jìn)行分析，反映了結(jié)構(gòu)正常工作階段的情況，而對(duì)工程設(shè)計(jì)來講，更重要的是抵達(dá)極限荷載時(shí)構(gòu)件的性能。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)兩桿尺寸和材料都相同時(shí)，拉桿可以對(duì)壓桿起不動(dòng)鉸支座作用。計(jì)算長(zhǎng)度取為1L，在彈性和非彈性范圍都適用。實(shí)驗(yàn)還證明，當(dāng)荷載加大到使壓桿屈曲以后，還可以繼續(xù)增大。雖因屈曲而承載力下降，但拉桿承載力增加的更快了。由此可見，按彈性穩(wěn)定理論分析取得的結(jié)論，在交叉斜桿計(jì)算長(zhǎng)度問題上有普遍適用性。3、塔架桿件的計(jì)算長(zhǎng)度塔架屬于空間桁架，它的類型很多，這里分析的是輸電塔一類用角鋼組成的四邊形塔架。塔架桿件常常利用單角鋼做成，其四根主桿的兩肢都和腹桿相連，可看成軸心受壓計(jì)算。腹桿僅用一個(gè)肢和主桿相連，構(gòu)造使之偏心受力。設(shè)計(jì)時(shí)可以把這一類偏心壓桿簡(jiǎn)化為軸心壓桿去計(jì)算，計(jì)算時(shí)或是降低材料抗力，或是放大桿件的計(jì)算長(zhǎng)度，以計(jì)入偏心的效應(yīng)。塔架主桿的計(jì)算長(zhǎng)度，隨腹桿體系的布置而有所不同。在主桿每一節(jié)點(diǎn)處，兩個(gè)面內(nèi)都有腹桿相連時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度取兩相鄰節(jié)點(diǎn)的間距L，在計(jì)算它的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)應(yīng)取截面的最小回轉(zhuǎn)半徑ix。當(dāng)并非在每一節(jié)點(diǎn)處兩個(gè)面內(nèi)都有腹桿時(shí)，分兩種情況：每隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)為兩個(gè)面的一路節(jié)點(diǎn)，主桿的計(jì)算長(zhǎng)度即取這種節(jié)點(diǎn)的間距，相應(yīng)回轉(zhuǎn)半徑為平行于肢邊軸的回轉(zhuǎn)半徑ix1；對(duì)腹桿體系，兩個(gè)相鄰面完全沒有一路節(jié)點(diǎn)，此時(shí)計(jì)算長(zhǎng)度可取為，回轉(zhuǎn)半徑也按平行軸來取。兩種情況長(zhǎng)細(xì)比取入=L是從主桿各節(jié)間長(zhǎng)度相同、內(nèi)力也不轉(zhuǎn)變動(dòng)身的。若是ix節(jié)間長(zhǎng)度和內(nèi)力有轉(zhuǎn)變，按長(zhǎng)而內(nèi)力大的節(jié)間進(jìn)行計(jì)算顯然是偏于安全的。當(dāng)長(zhǎng)度或內(nèi)力相差比較差異，可以考慮相鄰節(jié)間的彼此約束，從而找出計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)H。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比取為人=L時(shí)，并未計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，偏于不安全。建議把主桿計(jì)算長(zhǎng)度取為ixX=—6'1+(1.5^—)6=旦—，式中，b和t別離是主桿角鋼的寬度和厚度。GB50017把i\ Ltix1 x1上式的系數(shù)簡(jiǎn)化為R=1+0.25修搭)，適用于b/1<0.69L；，當(dāng)b/1>0.69匕時(shí)人=5.4b/1。塔架腹桿的處境和桁架腹桿有一點(diǎn)不同，這就是：桁架腹桿有一端和受拉弦桿相連，從而在該端得轉(zhuǎn)動(dòng)受到約束；塔架腹桿則有可能兩頭所連的主桿都受壓。因此，塔架腹桿一般不考慮弦桿的約束作用，對(duì)于單系腹桿，計(jì)算長(zhǎng)度即為幾何長(zhǎng)度。對(duì)于交叉腹桿，當(dāng)兩桿一拉一壓且絕對(duì)值相等或很接近時(shí)，相交點(diǎn)無論在面內(nèi)和面外都可以起支點(diǎn)作用。當(dāng)塔架腹桿體系有再分桿時(shí)，再分桿可否減小斜腹桿的計(jì)算長(zhǎng)度，首先要看是不是形成了幾何不可變體系。計(jì)算長(zhǎng)度究竟減小到什么程度還要看相鄰面桿件的受力情況。若是相鄰面桿件和該面桿件經(jīng)受一樣大小的壓力，則彼此之間沒有支援作用，該面桿件的計(jì)算長(zhǎng)度仍是不能減小。只有相鄰面桿件受拉或經(jīng)受較小壓力，該面桿件的計(jì)算長(zhǎng)度才能減小。當(dāng)兩面桿件的截面和長(zhǎng)

度都相同時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可由下式算得：I胃*，式中5P別離為計(jì)算桿和被依托桿的內(nèi)力，壓力取正，拉力取負(fù)。當(dāng)P=P'時(shí)，^=1.0，計(jì)算長(zhǎng)度不能減小。當(dāng)P<-—P'時(shí)r=0.5。2交叉桿中有一桿斷開用節(jié)點(diǎn)板相連，有損于桿的彈簧剛度。塔架交叉腹桿節(jié)點(diǎn)處有水平桿時(shí)，連接構(gòu)造有兩種做法，即斜桿不持續(xù)或水平桿不持續(xù)。構(gòu)造方式不同，斜桿抗壓承載能力就有不同。斜桿持續(xù)的做法比不持續(xù)者承載能力提高40%。4、有支撐柱的計(jì)算長(zhǎng)度當(dāng)I形截面柱繞兩個(gè)主軸的慣性矩相差差異時(shí)，適當(dāng)減小繞弱軸屈曲的計(jì)算長(zhǎng)度可以充分利用材料的性能。當(dāng)支撐系統(tǒng)的節(jié)間長(zhǎng)度相同，且柱腳為鉸接時(shí)，柱段繞弱軸屈曲時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度即為節(jié)間長(zhǎng)度?？墒牵?dāng)節(jié)間長(zhǎng)度不等時(shí)，柱段之間有彼此約束作用。不考慮這種約束作用，以較大的節(jié)間長(zhǎng)度為計(jì)算長(zhǎng)度，將多用鋼材。兩節(jié)柱間情況。由彈性穩(wěn)定理論得出的計(jì)算公式是以kl(cot以kl+cotal)-(1+k)=0，式中：k為短節(jié)間與長(zhǎng)節(jié)間之比k=a/l；a為參數(shù)，a2=N，EI為柱在支撐平面內(nèi)的彎曲EI剛度，解出a后可得柱計(jì)算長(zhǎng)度Rl=ya。簡(jiǎn)化公式R=1-0.3(1-k)0.7。此式適用于0<k<1的范圍內(nèi)，誤差小。三節(jié)柱間情況。其中第一和第三節(jié)間長(zhǎng)度相等，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式別離為:第一和第三節(jié)擅長(zhǎng)第二節(jié)時(shí)，R=0.7+0.3k；第一和第三節(jié)短于第二節(jié)時(shí)，日=1-0.5(1-k)0.8，兩式適用于0<k<1的范圍內(nèi)，k=a/l。三、扭轉(zhuǎn)邊界條件和計(jì)算長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)邊界條件由桿端的扭角及其對(duì)桿軸線的導(dǎo)數(shù)來表達(dá)。設(shè)4為桿端扭角，貝上簡(jiǎn)支端，截面不能扭轉(zhuǎn)，但可自由翹曲4=0『'=0；固定端，截面不能扭轉(zhuǎn)，也不能翹曲4=0妒=0；自由端，截面自由翹曲，且扭矩為零妒=0(GI-Ni)4'-EI4"'=0。桿件具有何種邊界條件由構(gòu)造方式?jīng)Q定。桿件扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力公式適用于邊界條件4=4〃=0。更普遍的公式應(yīng)是，式中，七時(shí)扭轉(zhuǎn)屈曲的計(jì)算長(zhǎng)度。當(dāng)兩頭簡(jiǎn)支時(shí)，R=；當(dāng)兩頭嵌固時(shí)，七=頭嵌固時(shí)，七=；當(dāng)一端簡(jiǎn)支，另一端嵌固時(shí)可取七=。桿件彎扭屈曲的臨界力計(jì)算時(shí)n4由上式?jīng)Q定，N也應(yīng)考慮它的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，即丸2EI"。計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)七的精準(zhǔn)值和扭轉(zhuǎn)邊界條件也有關(guān)系。在設(shè)計(jì)工作中%可以y一端鉸支、另一端嵌固時(shí)按彎曲屈曲時(shí)的數(shù)值取用，即兩頭鉸支時(shí)%=，兩頭嵌固時(shí)%=，一端鉸支、另一端嵌固時(shí)【格構(gòu)式壓桿】一、剪力對(duì)格構(gòu)柱穩(wěn)定的影響原因是相應(yīng)的抗剪剛度對(duì)格構(gòu)式壓桿計(jì)算繞虛軸的穩(wěn)定性時(shí)，必需考慮剪力的影響原因是相應(yīng)的抗剪剛度，式中，N時(shí)桿件作為_N比較弱。彈性桿考慮剪力影響時(shí)的臨界力計(jì)算公式是，式中，N時(shí)桿件作為1+—ES實(shí)腹柱看待時(shí)的歐拉臨界力；S是綴材體系的抗剪剛度，即產(chǎn)生單位剪切角所