結(jié)構(gòu)設(shè)計原理軸向受力構(gòu)件PPT課件

1、n 工業(yè)建筑的工作平臺支柱第1頁/共67頁軸向受力構(gòu)件的截面形式實腹式構(gòu)件的截面形式（強(qiáng)軸和弱軸）第2頁/共67頁第3頁/共67頁格構(gòu)式構(gòu)件的截面形式第4頁/共67頁2. 軸向受力構(gòu)件的設(shè)計要求1.承載能力極限狀態(tài)：強(qiáng)度和穩(wěn)定軸心受拉：強(qiáng)度軸心受壓：強(qiáng)度和穩(wěn)定2.正常使用極限狀態(tài)：變形（剛度，長細(xì)比）第5頁/共67頁3. 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計算軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計算（以截面平均應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服應(yīng)力為極限）1)除摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接處外的強(qiáng)度計算式fANn 第6頁/共67頁2)摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接處 nnNN15 . 01fANn 孔前傳遞的力凈截面處的傳力為凈截面處的強(qiáng)度公式為同時毛截面處還

2、應(yīng)滿足fAN / 第7頁/共67頁4. 剛度要求1)長細(xì)比過大產(chǎn)生的不利影響：a.在運(yùn)輸和安裝過程中產(chǎn)生彎曲或過大的變形b.使用期間因其自重而屈曲c.在動力荷載作用下發(fā)生較大的振動d.壓桿的長細(xì)比過大時，還將使構(gòu)件的承載力降低過多。2)長細(xì)比限值 il0a. 在承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)中，可僅計算受拉構(gòu)件在豎向平面內(nèi)的長細(xì)比；b. 在直接或間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，計算單角鋼受拉構(gòu)件的長細(xì)比時，應(yīng)采用單角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑；計算單角鋼交叉桿件平面外的長細(xì)比時，應(yīng)采用角鋼肢邊平行軸的回轉(zhuǎn)半徑 。第8頁/共67頁3）受拉構(gòu)件的容許長細(xì)比第9頁/共67頁4）受壓構(gòu)件的容許長細(xì)比第10頁/共67頁實腹式軸心受

3、壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定1.理想軸心壓桿的整體失穩(wěn)（桿件完全挺直、荷載沿桿件形心軸作用，桿件在受荷之前沒有初始應(yīng)力，也沒有初彎曲和初偏心等缺陷，截面沿桿件是均勻的）1)彎曲屈曲2)扭轉(zhuǎn)屈曲3)彎扭屈曲雙軸對稱截面發(fā)生彎曲屈曲或扭轉(zhuǎn)屈曲；單軸對稱截面發(fā)生彎曲屈曲（繞非對稱軸）或彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲（繞對稱軸）；沒有對稱軸的截面均屬彎扭屈曲。第11頁/共67頁2. 理想壓桿的臨界力（彈性彎曲屈曲）彈性屈曲的臨界力 222222 EilEANlEINcrcrcr 0/22 NydzyEId平衡微分方程平衡微分方程第12頁/共67頁3. 彈塑性屈曲力力時時應(yīng)應(yīng)計計算算彈彈塑塑性性臨臨界界應(yīng)應(yīng)的的情情況況，當(dāng)當(dāng)歐歐拉拉

4、公公式式僅僅適適合合pcrpcrff 根據(jù)切線模量理論2222 tcrtcrEAEN 22/ EEEcrt 令令第13頁/共67頁4. 影響穩(wěn)定承載力的因素1)殘余應(yīng)力的影響 偏心偏心幾何缺陷：初彎曲和初幾何缺陷：初彎曲和初致致截面各部分屈服點不一截面各部分屈服點不一力學(xué)缺陷：殘余應(yīng)力和力學(xué)缺陷：殘余應(yīng)力和初始缺陷：初始缺陷：n 產(chǎn)生的原因：焊接時不均勻加熱和不均勻冷卻；型鋼熱軋后不均勻冷卻；板邊經(jīng)火焰切割后的熱塑性收縮；構(gòu)件經(jīng)冷校正產(chǎn)生的塑性變形。n 殘余應(yīng)力在截面上的分布 為自平衡應(yīng)力第14頁/共67頁 存在殘余應(yīng)力構(gòu)件的的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 提前進(jìn)入彈塑性階段第15頁/共67頁n 殘余應(yīng)力的

5、存在將降低構(gòu)件的臨界承載力 2222IIEIIlEINecrecr 第16頁/共67頁2)初彎曲的影響0)(/022 yyNdzyEIdC處，有平衡方程處，有平衡方程在任意截面在任意截面)/sin(1cossin/ / );/sin( 0200lzvkzBkzAyNNEINklzvycr 得解：得解：令令設(shè)設(shè) 10vYm總總撓撓度度代代入入邊邊界界條條件件，得得中中點點 crmNNAWvANWNYAN/11/10max 邊邊緣緣纖纖維維應(yīng)應(yīng)力力構(gòu)構(gòu)件件中中點點截截面面最最大大受受壓壓第17頁/共67頁有初彎矩的構(gòu)件，其承載力總是低于歐拉臨界力進(jìn)入彈塑性狀態(tài)到達(dá)C點，穩(wěn)定承載力不能再增加cryc

6、rycryfffANvAW 20000002)1(2)1(/ ,/ ,/令令第18頁/共67頁3) 初偏心的影響0)(/022 yeNdzyEIdC處，有平衡方程處，有平衡方程在任意截面在任意截面初偏心 12sec0crmNNey 中點撓度為：中點撓度為：初偏心的影響類似初彎矩的影響，但更嚴(yán)重第19頁/共67頁ycrmfNNAWeANWyeNAN 2sec/1)(00max 有：有：根據(jù)截面邊緣屈服準(zhǔn)則根據(jù)截面邊緣屈服準(zhǔn)則0000000000002cos2sec12sec1/ ,/ ,/ yycryfEEffANeAW令令第20頁/共67頁4）最大強(qiáng)度準(zhǔn)則 壓屈準(zhǔn)則 理想軸心壓桿，當(dāng)N增大到某

7、一值時，壓桿失去直線狀態(tài)平衡稱為壓屈。主要指標(biāo)為Ncr，可考慮彈性或彈塑性狀態(tài)，但不能考慮初始缺陷。 纖維屈服準(zhǔn)則 最不利截面上邊緣纖維的最大應(yīng)力達(dá)到屈服，計算指標(biāo)為纖維屈服壓桿荷載。 壓潰準(zhǔn)則 實際壓桿，當(dāng)N增大到某一值時，彎曲變形增長使得壓桿失去承載力，計算指標(biāo)為壓潰荷載。考慮殘余應(yīng)力、初彎曲、初偏心情況壓桿的極限承載力計算復(fù)雜，須利用數(shù)值積分用計算機(jī)求解。第21頁/共67頁5. 整體穩(wěn)定計算公式 柱子曲線與穩(wěn)定系數(shù)考慮初彎曲和殘余應(yīng)力的不利條件，初彎曲的矢高定為1/1000桿長，殘余應(yīng)力按桿件加工條件確定，利用數(shù)值積分求極限承載力根據(jù)截面形式分為a、b、c三類a類截面殘余應(yīng)力與初彎曲影響

8、較?。籧類則較大；b類介于其中。當(dāng)板件厚度超過40mm時，殘余應(yīng)力較大，單獨(dú)增加d類第22頁/共67頁根據(jù)柱子曲線擬合的穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)柱子曲線擬合的穩(wěn)定系數(shù)計算公式計算公式第23頁/共67頁n 整體穩(wěn)定計算公式fAN )( 類確定。類確定。材的屈服強(qiáng)度和截面分材的屈服強(qiáng)度和截面分根據(jù)構(gòu)件的長細(xì)比，鋼根據(jù)構(gòu)件的長細(xì)比，鋼），），主軸穩(wěn)定系數(shù)的較小者主軸穩(wěn)定系數(shù)的較小者穩(wěn)定系數(shù)（取截面兩穩(wěn)定系數(shù)（取截面兩 第24頁/共67頁6. 穩(wěn)定計算時采用的長細(xì)比1)截面為雙軸對稱或極對稱的構(gòu)件上述公式僅考慮了構(gòu)件的彎曲屈曲，如發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲或彎扭屈曲，則將影響計入換算長細(xì)比中。第25頁/共67頁2）截面為單軸對

9、稱的構(gòu)件繞對稱軸失穩(wěn)時第26頁/共67頁3）截面為單角鋼或雙角鋼組合T形的構(gòu)件繞對稱軸失穩(wěn)第27頁/共67頁第28頁/共67頁第29頁/共67頁4）單軸對稱的軸心壓桿在繞非對稱主軸以外的任意軸失穩(wěn)時第30頁/共67頁4）規(guī)范的其他規(guī)定 無任何對稱軸且又非極對稱的截面（單面連接的不等邊角鋼除外）不宜用作軸心受壓構(gòu)件。 對單面連接的單角鋼軸心受壓構(gòu)件，考慮強(qiáng)度設(shè)計值的折減系數(shù)后，可不考慮彎扭效應(yīng)。 當(dāng)槽形截面用于格構(gòu)式構(gòu)件的分肢，計算分肢繞其對稱軸的穩(wěn)定性時，可不考慮彎扭效應(yīng)，直接用 查處 值。y y 第31頁/共67頁例題5-26第32頁/共67頁第33頁/共67頁第34頁/共67頁實腹式軸心受

10、壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定1.軸心受壓構(gòu)件板件局部失穩(wěn)第35頁/共67頁 局部失穩(wěn)實際上是由于薄板在軸心壓力下的局部屈曲，可根據(jù)板理論計算臨界應(yīng)力第36頁/共67頁2. 板件的寬厚比限值受壓構(gòu)件板件的局部穩(wěn)定以板件屈服不先于構(gòu)件的整體屈服為條件，并以限制構(gòu)件的寬厚比來實現(xiàn)。第37頁/共67頁截面及板件尺寸截面及板件尺寸寬厚比限值寬厚比限值第38頁/共67頁3. 局部穩(wěn)定不滿足要求時采取的措施1)調(diào)整板件的厚度或?qū)挾?)對于箱形和工形截面腹板設(shè)置縱向加勁肋，以減小腹板的計算高度?？v向加勁肋通常在橫向加勁肋之間設(shè)置。加勁肋的設(shè)置要求：第39頁/共67頁3） 不考慮腹板的局部穩(wěn)定 在計算構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性時，

11、如未滿足腹板的寬厚比，可認(rèn)為腹板中間部分已傷失穩(wěn)定局部退出工作，而僅考慮腹板計算高度邊緣范圍內(nèi)兩側(cè)寬度各為 的部分作為有效截面。但計算構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)時，仍用全截面。第40頁/共67頁實腹式軸心受壓構(gòu)件的設(shè)計1.軸心受壓構(gòu)件一般采用雙軸對稱截面，如圖所示：軋制寬翼緣H型第41頁/共67頁選擇截面的幾個原則 面積分布應(yīng)盡量開展，以增加截面的慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑，提高柱的整體穩(wěn)定性和剛度。在滿足局部穩(wěn)定和使用等條件下，盡量加大截面輪廓尺寸而減小板厚，在工字形截面中取腹板較薄而翼緣較厚。 使兩個主軸方向等穩(wěn)定性 便于與其他構(gòu)件進(jìn)行連接 盡可能構(gòu)造簡單、制造省工、取材方便第42頁/共67頁2. 計算步驟

12、假定長細(xì)比，求穩(wěn)定系數(shù)，初選截面)/( ANA 合理的長細(xì)比=60100n按求得的A，直接查型鋼表選擇，如采用組合截面，確定回轉(zhuǎn)半徑，并近似確定寬度、高度2100/ / / yxyyxxibihlili n驗算整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、長細(xì)比限值n如不滿足要求，修改截面或重新假設(shè)n如截面開洞，驗算凈截面處的強(qiáng)度第43頁/共67頁第44頁/共67頁3.用填板連接而成的雙角鋼或雙槽鋼構(gòu)件，可按實腹式構(gòu)件進(jìn)行計算，但填板之間的間距不應(yīng)超過下列數(shù)值：受拉構(gòu)件，80i；受壓構(gòu)件40i。i為截面的回轉(zhuǎn)半徑，按下列規(guī)定采用：當(dāng)為雙角鋼或雙槽鋼截面時，取一個角鋼或一個槽鋼對于填板平行的形心軸的回轉(zhuǎn)半徑；當(dāng)為十字形截

13、面時，取一個角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑。同時，受壓構(gòu)件的兩個側(cè)向支撐點之間的填板數(shù)不得少于兩個。第45頁/共67頁格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的設(shè)計1.格構(gòu)式柱的構(gòu)造1)格構(gòu)式柱的特點和用途2)截面形式：雙肢柱、三肢柱和四肢柱。柱肢可采用槽鋼、工字鋼、角鋼、鋼管等。3)綴件：綴條（剪力較大以及兩肢相距較遠(yuǎn)者）和綴板（用于荷載較小者）4)實軸和虛軸第46頁/共67頁5)綴件的作用（分肢間的整體工作和減小分肢的計算長度）及綴件與柱的連接（焊接，綴條和柱肢的軸心應(yīng)匯交于一點）第47頁/共67頁6)格構(gòu)式柱的橫隔 為了避免柱肢局部受彎和提高柱的抗扭剛度，保證柱子在運(yùn)輸和安裝過程中的截面形狀不變，應(yīng)在受有較大水平力處和運(yùn)

14、輸單元的端部設(shè)在橫隔，橫隔的間距不得大于柱子較大寬度的9倍或8m。橫隔可采用鋼板或交叉角鋼第48頁/共67頁2. 軸心受壓格構(gòu)式柱的計算1) 整體穩(wěn)定計算a. 格構(gòu)式構(gòu)件整體穩(wěn)定性的特點取決于對虛軸的穩(wěn)定性必須考慮剪切變形對穩(wěn)定承載力的影響用加大長細(xì)比來考慮剪切變形對穩(wěn)定承載力的影響，加大后的長細(xì)比稱為換算長細(xì)比。 EAEAEGAklEIlEINxxxxcrcr220222220220211 11 第49頁/共67頁b. 格構(gòu)柱繞虛軸的換算長細(xì)比雙肢綴條柱xxoxAA1227 xxoxAA1222cossin 的毛截面面積之和的毛截面面積之和軸的各斜綴條軸的各斜綴條垂直于垂直于 1xAx規(guī)范規(guī)

15、定的斜綴條和構(gòu)件軸線的夾角=4070，否則，應(yīng)按下式計算第50頁/共67頁n 雙肢綴板柱為分肢對最小剛度軸1-1的長細(xì)比，其中計算長度 為相鄰兩綴板間的凈距（綴板和分肢焊接時）或最近邊緣螺栓間的距離（綴板與邊緣螺栓連接時）。此處i1為分肢繞平行于虛軸方向的形心軸的回轉(zhuǎn)半徑。212 xox1 1011il 01l第51頁/共67頁n 四肢格構(gòu)式構(gòu)件21202120120120 /40 /40 yyxxyyyxxxAAAA當(dāng)為綴板時當(dāng)為綴板時當(dāng)為綴條時當(dāng)為綴條時n 綴件為綴條的三肢組合構(gòu)件 21202120cos42)cos5 . 1(42AAAAyyxx 軸的夾角軸的夾角在平面與在平面與構(gòu)件截面

16、內(nèi)綴條所構(gòu)件截面內(nèi)綴條所毛截面面積之和毛截面面積之和構(gòu)件截面各斜綴條構(gòu)件截面各斜綴條xA 1第52頁/共67頁2） 分肢的穩(wěn)定計算 可視為單獨(dú)的軸心受壓實腹式構(gòu)件，按兩綴條或綴板間的長細(xì)比 計算，如滿足下列要求，對分肢的穩(wěn)定性和強(qiáng)度可不另作驗算。1 max17 . 0 對于綴條式格構(gòu)構(gòu)件1 對于綴板柱 25 （max50時） 或 0.5max （max =5080） 或 40 (max80時)1 1 對虛軸取換算長細(xì)比對虛軸取換算長細(xì)比比的較大值，比的較大值，格構(gòu)式構(gòu)件兩方向長細(xì)格構(gòu)式構(gòu)件兩方向長細(xì)max 第53頁/共67頁3）綴板和綴條的計算軸心受壓格構(gòu)式構(gòu)件的橫向剪力23585yfAfV

17、格構(gòu)式構(gòu)件的橫向剪力由相應(yīng)的綴材面承受NvlVlzNvldzdMVlzNvNyMlzvy maxcossinsin99771 )1(2122max kNkNVivfbINvANxxxxxxxyx各種情況下：各種情況下：得：得：邊緣纖維屈服條件邊緣纖維屈服條件 第54頁/共67頁n 綴條的設(shè)計 綴條體系：單系綴條和交叉綴條 cos11nVNd n 按平行弦桁架計算綴條的內(nèi)力，一根斜綴條的軸心力為：n交叉綴條體系的橫綴條按軸心受壓計算綴條與水平線的夾角綴條與水平線的夾角；雙綴條體系；雙綴條體系單綴條體系單綴條體系的斜綴條數(shù)的斜綴條數(shù)承受剪力承受剪力力力分配到一個綴材面的剪分配到一個綴材面的剪 2111 nnVnV12VNd 第55頁/共67頁n 綴板的設(shè)計 綴板的內(nèi)力2112111lVMclVVbb 據(jù)此驗算綴板的彎曲和剪切強(qiáng)度第56頁/共67頁 綴板的凈距由分肢的穩(wěn)定和強(qiáng)度條件確定： 綴板的剛度要求：同一截面處兩側(cè)綴板線剛度之和不得小于構(gòu)件較大分肢線剛度的6倍。綴板一般取縱向高度 ，厚度 和6mm。 綴板與肢體間用角焊縫連接，共同承受Mb1和Vb1的作用。搭接長度一般可采用2030mm，可采用三面圍焊或僅用端部縱向焊縫。1101il 32chb 40ctb 第57頁/共67頁3. 軸心受壓格構(gòu)式構(gòu)件的截面設(shè)計 選擇用綴板柱或綴條柱 根據(jù)對實