第20章-軸心受力構(gòu)件

第20章軸心受力構(gòu)件20.1軸心受力構(gòu)件的截面形式

軸心受力構(gòu)件是指只承受通過構(gòu)件截面形心的軸向力作用的構(gòu)件。它分為軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件兩類，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架、屋架、托架和塔架等各類承重體系以及支撐體系中。軸心受力構(gòu)件按其截面形式，可分為實(shí)腹式構(gòu)件和格構(gòu)式構(gòu)件兩種。如圖20-1所示。實(shí)腹式截面具有整體連通的截面，常見的有三種截面形式。第一種是熱軋型鋼截面，有圓鋼、圓管、方管、角鋼、槽鋼、工字鋼、寬翼緣H型鋼、T型鋼等，其中最常用的是工字形或H形截面；第二種是冷彎型鋼截面，有卷邊和不卷邊的方管、角鋼和槽鋼；第三種是型鋼或鋼板連接而成的組合截面。第20章軸心受力構(gòu)件圖20-1軸心受壓柱的截面形式第20章軸心受力構(gòu)件第20章軸心受力構(gòu)件

格構(gòu)式構(gòu)件一般由兩個(gè)或多個(gè)分肢用綴件連接而成，常用的是雙肢格構(gòu)式構(gòu)件。通過分肢腹板的主軸稱為實(shí)軸，通過分肢綴件的主軸稱為虛軸。分肢通常采用軋制槽鋼或工字鋼，承受荷載較大時(shí)可采用焊接工字鋼或槽形組合截面。綴件設(shè)置在分肢翼緣兩側(cè)平面內(nèi)，其作用是將各分肢連成整體，使其共同受力，并承受繞虛軸彎曲時(shí)產(chǎn)生的剪力。實(shí)腹式構(gòu)件比格構(gòu)式構(gòu)件構(gòu)造簡單，制造方便，整體受力和抗剪性能好，但截面尺寸較大時(shí)耗鋼量多；而格構(gòu)式構(gòu)件容易實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主軸方向的等穩(wěn)定性，剛度較大，抗扭性能較好，用料較省。20.2軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度

由鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)應(yīng)是截面的平均應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度fy?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定凈截面的平均應(yīng)力不應(yīng)超過鋼材的強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，因此，軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式為:一、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度第20章軸心受力構(gòu)件二、軸心受力構(gòu)件的剛度

為滿足正常使用要求，必須保證軸心受力構(gòu)件具有一定的剛度。當(dāng)構(gòu)件剛度不足時(shí)，在自身重力作用下，會(huì)產(chǎn)生過大的撓度，并且在運(yùn)輸和安裝過程中容易造成彎曲，在承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，還會(huì)引起較大晃動(dòng)。軸心受力構(gòu)件的剛度是通過限制構(gòu)件長細(xì)比來保證的，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)剛度的要求是第20章軸心受力構(gòu)件第20章軸心受力構(gòu)件注：①承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)中，可僅計(jì)算受拉構(gòu)件在豎向平面內(nèi)的長細(xì)比。②在直接或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，計(jì)算單角鋼受拉構(gòu)件的長細(xì)比時(shí)，應(yīng)采用角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑；在計(jì)算單角鋼交叉受拉桿件平面外的長細(xì)比時(shí)，應(yīng)采用與角鋼肢邊平行軸的回轉(zhuǎn)半徑。③中級(jí)、重級(jí)工作制吊車桁架下弦桿的長細(xì)比不宜超過200。

④在設(shè)有夾鉗吊車或剛性料耙吊車的廠房中，支撐（表中第2項(xiàng)除外）的長細(xì)比不宜超過300。⑤受拉構(gòu)件在永久荷載與風(fēng)荷載組合作用下受壓時(shí)，其長細(xì)比不宜超過250。⑥跨度等于或大于60m的桁架，其受拉弦桿和腹桿的長細(xì)比不宜超過300（承受靜力荷載或間接動(dòng)力荷載）或250（直接承受動(dòng)力荷載）。第20章軸心受力構(gòu)件

第20章軸心受力構(gòu)件項(xiàng)次構(gòu)件名稱容許長細(xì)比1柱、桁架和天窗架中的桿件150柱的綴條、吊車梁或吊車桁架以下的柱間支撐2支撐（吊車梁或吊車桁架以下的柱間支撐除外）200用以減少受壓構(gòu)件長細(xì)比的桿件表20-2受壓構(gòu)件的容許長細(xì)比

注：①桁架（包括空間桁架）的受壓腹桿，當(dāng)其內(nèi)力等于或小于承載能力的50%時(shí)，容許長細(xì)比可取200。②單角鋼受壓構(gòu)件長細(xì)比的計(jì)算方法與表20-1注②相同。③跨度等于或大于60m的桁架，其受壓弦桿和端壓桿的容許長細(xì)比宜取100，其他受壓腹桿可取150（承受靜力荷載或間接動(dòng)力荷載）或120（直接承受動(dòng)力荷載）。第20章軸心受力構(gòu)件20.3實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定一、軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定

1.實(shí)際軸心受壓構(gòu)件的受力性能

實(shí)際軸心受壓構(gòu)件的屈曲(失穩(wěn)）性能受到初始缺陷和桿端約束的影響，初始缺陷主要有初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力等，它們使軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載能力降低；桿端約束使軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載能力提高。

第20章軸心受力構(gòu)件

軸心受壓構(gòu)件的受力性能與軸心受拉構(gòu)件差別很大，軸心受壓構(gòu)件除了較為短粗或截面有很大削弱時(shí)，可能因其凈截面的平均應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度而喪失承載能力破壞外，一般情況下，軸心受壓構(gòu)件的承載能力是由穩(wěn)定條件決定的。國內(nèi)外因壓桿突然失穩(wěn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物倒塌的重大事故屢有發(fā)生，需要加以重視。

不同桿端約束的軸心受壓構(gòu)件同樣可以按二階彈性分析計(jì)算。把不同約束的軸心壓桿等效為跨度為l0的兩端鉸接軸心壓桿，設(shè)該桿臨界荷載與原來?xiàng)U件（有不同約束）的臨界荷載相等，由此計(jì)算出l0與原來?xiàng)U件跨度的關(guān)系：l0=μl，這樣原來?xiàng)U件的臨界荷載就可用l0算得，即第20章軸心受力構(gòu)件20-4表20-3中μ的理論值是按理想的支撐條件求出的，考慮到實(shí)際支撐條件與理想支撐條件的差別。因此對(duì)理論值加以修正并給出建議值，供實(shí)際設(shè)計(jì)使用。第20章軸心受力構(gòu)件表20-3軸心受壓構(gòu)件計(jì)算長度系數(shù)μ

2.實(shí)際軸心受壓構(gòu)件的實(shí)用計(jì)算方法《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于彎曲屈曲采用具有初彎曲及殘余應(yīng)力的桿件，按二階彈塑性分析來確定其穩(wěn)定承載能力。軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算公式為第20章軸心受力構(gòu)件20-5第20章軸心受力構(gòu)件

在式（20-5）中，如何確定φ值是一個(gè)關(guān)鍵問題?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)200多種桿件按不同長細(xì)比算出Nu值。由此求得φ與長細(xì)比的關(guān)系曲線，又稱之為柱曲線。針對(duì)不同類型桿件，可得到200多條柱曲線。然后從中選出最常用的曲線，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理及可靠度分析，將其中數(shù)值相近的截面分別規(guī)并成a、b、c、d四條曲線，如圖20-3所示。這四條曲線各代表一類截面,見表20-4和表20-5。四類截面中，a類穩(wěn)定性較好，c類、d類較差，b類居中，大部分截面形式和對(duì)應(yīng)軸均屬于b類。第20章軸心受力構(gòu)件圖20-3柱曲線第20章軸心受力構(gòu)件第20章軸心受力構(gòu)件第20章軸心受力構(gòu)件二、實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常由一些板件組成，軸心受壓構(gòu)件截面設(shè)計(jì)時(shí)常選用肢寬壁薄的截面，以提高其整體穩(wěn)定性，但如果這些板件的寬厚比很小，即板較薄時(shí)，在板平面內(nèi)壓力作用下，將可能發(fā)生平面的凹凸變形，從而喪失局部穩(wěn)定。實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件因主要承受軸心壓力作用，故應(yīng)按均勻受壓板計(jì)算其板件的局部穩(wěn)定。板件失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力稱為板件的臨界應(yīng)力或屈曲應(yīng)力。

對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，主要應(yīng)限制板件的寬厚比不能過大，以保證在構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定之前，不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)。即根據(jù)板的屈曲應(yīng)力σcr和構(gòu)件的整體穩(wěn)定極限承載應(yīng)力σu相等的等穩(wěn)定準(zhǔn)則，計(jì)算板件的寬厚比限值。第20章軸心受力構(gòu)件1.工字形及H形截面第20章軸心受力構(gòu)件第20章軸心受力構(gòu)件

對(duì)于十分寬大的工字形、H形或箱形柱，當(dāng)腹板的高厚比不滿足式（20-7）~式（20-12）要求時(shí)，可以用縱向加勁肋加強(qiáng)或按截面有效寬度計(jì)算，如圖20-4所示。有關(guān)縱向加勁肋的設(shè)計(jì)詳見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。對(duì)于軋制型鋼，由于翼緣、腹板較厚，一般都能滿足局部穩(wěn)定要求，因此無須計(jì)算。在式（20-7）至式（20-12）中，各截面尺寸如下圖所示。第20章軸心受力構(gòu)件

【例20-2】試求如圖20-6所示軸心受壓柱的最大承載力。已知柱高為8m，在中部設(shè)有支撐，柱截面由3塊剪切邊的鋼板焊成工字形（試驗(yàn)算其局部穩(wěn)定性），在設(shè)支撐的截面上翼緣及腹板各設(shè)有d=21.5mm的孔2個(gè)，共6個(gè)孔，對(duì)稱布置，鋼材為Q235BF鋼。圖20-4腹板縱向加勁肋及有效截面圖20-5例20-2圖第20章軸心受力構(gòu)件第20章軸心受力構(gòu)件20.4實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的構(gòu)造要求第20章軸心受力構(gòu)件圖20-6實(shí)腹式柱的橫向加勁肋第20章軸心受力構(gòu)件

對(duì)大型實(shí)腹式柱，為了增加其抗扭剛度和傳遞集中力的作用，在有較大水平力作用處、運(yùn)輸單元的端部和其他需要加強(qiáng)截面剛度的地方應(yīng)設(shè)置橫隔（加寬的橫向加勁肋）。橫隔間距不得大于截面較大輪廓尺寸的9倍或8m。軸心受壓實(shí)腹式柱板件間（如工字形截面翼緣與腹板間）的縱向焊縫只承受柱初彎曲或因偶然橫向力作用等產(chǎn)生的很小剪力，因此不必計(jì)算，焊腳尺寸可按構(gòu)造要求采用。第20章軸心受力構(gòu)件20.5格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件一、格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的組成

常用的格構(gòu)式軸心受壓柱的截面形式有槽鋼或工字鋼組成的雙肢格構(gòu)式柱。對(duì)于軸心壓力較小但長度較大的構(gòu)件，可以采用角鋼或鋼管組成的三肢、四肢格構(gòu)式柱。二、格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性

格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件需分別考慮對(duì)實(shí)軸和虛軸的整體穩(wěn)定性。

1.對(duì)實(shí)軸的整體穩(wěn)定性格構(gòu)式雙肢構(gòu)件相當(dāng)于兩個(gè)并列的實(shí)腹式桿件，因此格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件對(duì)實(shí)軸的整體穩(wěn)定承載力計(jì)算和實(shí)腹式柱完全相同，可以直接用對(duì)實(shí)軸的長細(xì)比λy查附表B-7得到φ值，再由式（20-4）計(jì)算對(duì)實(shí)軸（y—y軸）的整體穩(wěn)定承載力。第20章軸心受力構(gòu)件三、分肢的穩(wěn)定性

格構(gòu)式受壓構(gòu)件的分肢可以看成單獨(dú)的實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件，因此要求單肢不先于構(gòu)件整體失去承載能力，為此《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定單肢的穩(wěn)定性不應(yīng)低于構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。對(duì)于綴條式構(gòu)件要求λ1≤0.7λmax，對(duì)于綴板式構(gòu)件要求λ1≤0.5λmax且不應(yīng)大于40，當(dāng)λmax＜50時(shí)，取λmax=50。

2.對(duì)虛軸的整體穩(wěn)定

軸心受壓構(gòu)件整體彎曲后，桿內(nèi)將出現(xiàn)彎矩和剪力，對(duì)于實(shí)腹式受壓桿，由于抗剪剛度大，剪力產(chǎn)生的附加變形很小，因此，可以忽略剪力產(chǎn)生的附加變形對(duì)整體穩(wěn)定承載力的影響。但對(duì)于格構(gòu)式軸心受壓桿繞虛軸發(fā)生彎曲失穩(wěn)時(shí)，所產(chǎn)生的剪力由綴材承擔(dān)，由此產(chǎn)生的附加剪切變形較大，導(dǎo)致構(gòu)件剛度減小，整體穩(wěn)定承載力