鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計

1、第19章軸心受力構(gòu)件 軸心受力構(gòu)件是指軸向力通過桿件截面形心作用的構(gòu)件，可有軸心受拉構(gòu)件和軸心受壓構(gòu)件兩類。桁架、網(wǎng)架、塔架等鉸接桿件體系結(jié)構(gòu)多由軸心受力構(gòu)件組成。鋼屋架的下弦桿和一部分腹桿、屋架的支撐以及柱間支撐多按軸心受拉構(gòu)件設(shè)計。鋼屋架的上弦桿和一部分腹桿，工作平臺、棧橋及管道支架柱，以及支承梁或桁架的軸心受壓桿，一般都按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計。 軸心受力構(gòu)件的常用截面形式可有：型鋼截面、實腹式組合截面和格構(gòu)式組合截面(圖19-1。 軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用廣泛。設(shè)計時應(yīng)滿足強度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的要求：構(gòu)件應(yīng)力求構(gòu)造簡單、施工方便；結(jié)構(gòu)應(yīng)省鋼，造價低廉。 191 軸心受力構(gòu)件的強度 軸

2、心受力構(gòu)件在軸心力設(shè)計值F作用下，在截面內(nèi)引起均勻的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，承載力極限狀態(tài)取全截面達到鋼材屈服強度fy，鋼材強度設(shè)計值為f=fy/yf，當截面有孔洞削弱時應(yīng)取凈截面積An，則軸心受力構(gòu)件截面強度計算公式為 Q=FAnf(19-1 單角鋼桿件或單圓鋼拉桿兩端與節(jié)點板采用單面連接時固有構(gòu)造偏心，為簡化計算可按軸心受力構(gòu)件計算，考慮偏心產(chǎn)生的不利影響，計算時將構(gòu)件或連接的強度設(shè)計值乘以o85的折減系數(shù)。f取值見表11-1。 192軸心受力構(gòu)件的剛度 軸心受力構(gòu)件應(yīng)有足夠的剛度要求，以免構(gòu)件在制造、運輸和安裝過程中產(chǎn)生過大變形；在使用期間，因構(gòu)件過于細長，在風荷載或動力荷載作用下引起不必要的振

3、動或晃動；甚至在構(gòu)件自重作用下，因剛度不足而發(fā)生彎曲變形。根據(jù)長期的工程實踐經(jīng)驗，要使軸心受力構(gòu)件第543頁第20章 受彎構(gòu)件與平臺結(jié)構(gòu) 鋼梁是一種應(yīng)用廣泛的承受橫向荷載而彎曲工作的受彎構(gòu)件。最常見的鋼梁有樓蓋梁、工作平臺梁、墻架梁、檁條和吊車梁等，臨時性結(jié)構(gòu)也常用型鋼梁。鋼梁按加工制作方式分型鋼梁和組合梁；型鋼梁又可分為熱軋型鋼梁和冷彎薄壁型鋼梁兩種。 鋼梁常用的截面形式如圖20-1所示。熱軋型鋼梁加工簡單，成本較低應(yīng)優(yōu)先選用；冷彎薄壁型鋼梁較為經(jīng)濟，但防銹能力差，多用于跨度小、荷載輕、環(huán)境干燥的場合。組合梁由鋼板或型鋼連接而成，常用三塊鋼板焊接成I形和四塊鋼板焊接成箱形截面，后者具有較好的

4、抗扭剛度。組合鋼梁截面合理，但加工量大，多用于截面高度受到限制的情況。 俐梁根椐彎曲變形的不同，還分為單向彎曲梁和雙向彎曲梁。采用不同材料進行組合的組合梁，如鋼與混凝土組合梁，可收到很好的經(jīng)濟效果。 由多個梁組成的結(jié)構(gòu)體系稱為梁格。梁格可分為簡單梁格(由同一種梁排列組成；由主次梁組成的普通梁格和復(fù)雜梁格。梁格中主次梁的連接方式可有上下疊接、等高連接、低位連接和高位連接等多種形式，按支承情況可分為簡支梁、連續(xù)梁和多孔靜定梁，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同的條件和要求選用。 對鋼梁的設(shè)計要求，與鋼柱相同。梁必須具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。 201 梁的強度計算 梁的強度計算，包括梁凈截面考慮塑性發(fā)展的抗彎強度

5、和抗剪強度，局部承壓強度及幾種應(yīng)力引起的折算應(yīng)力汁算。 2011 梁的抗彎強度計算 1，梁在彎矩作用下，截面上正應(yīng)力發(fā)展的三個階段。 (1彈性工作階段。彎矩較小時，梁截面應(yīng)力為直線分布，最外邊緣正應(yīng)力。不超過屈段點人，其彈性極限彎矩為：Me=wnJy，Wn為凈截面彈性抵抗矩(圖20-2b、c。 (2彈塑性工作階段。彎矩繼續(xù)增加，截面邊緣區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，但中間部分仍保持彈性工作狀態(tài)(圖20-2d。 (3塑性工作階段。彎矩再繼續(xù)增加，截面塑性變形向深處發(fā)展，直至彈性核心消失，截面全部進入塑性狀態(tài)，形成塑性鉸區(qū)(圖20-2e。梁變形很大，截面已不能承受更大彎矩。此時。第568頁 梁的抗彎強度按塑性

6、工作階段計算，亦稱塑性設(shè)計；按彈性工作階段計算，亦稱彈性設(shè)計，可見，前者比后者更能充分發(fā)揮材料的作用，經(jīng)濟效益較高?？紤]到塑性變形過大將SI起梁的撓度過大，剛度降低，整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定降低，腹板局壓應(yīng)力不足；規(guī)范規(guī)定，對需要計算疲勞的梁，不考慮截面塑性工作，僅按彈性設(shè)計；對不需要驗算疲勞的梁，如：承受靜力荷載或間接承受動力荷載的梁只考慮部分截面塑性工作，塑性發(fā)展深度不超過o15倍的截面高度，對兩個主軸分別用截面塑性發(fā)展系數(shù)y。和y，控制，稱為彈塑性設(shè)計。 2梁的抗彎強度計算公式 在主平面內(nèi)受彎的實腹梁，其抗彎強度計算按下式： 對承受靜力荷載或間接承受動力荷載的單向彎曲梁為式中：Mx、MY繞x軸

7、和9軸的彎矩，對I形截面：x軸為強軸，y軸為弱軸； Wnx、Wnv，對x軸和9軸的凈截面抵抗矩； yx、yy截面塑性發(fā)展系數(shù)，對I形截面：yx=105，yy=120；對箱形截面：yx=yv=1.05； 對其他截面可按表20-l采用； f鋼材的抗彎強度設(shè)計值。 當梁受壓翼緣的自由外伸寬度與其厚度之比大于13235/fv，但不超過15235/fv時，應(yīng)取yx=10。人為鋼材的屈服強度：對Q235鋼，取fv=235Nmn2；對Q345鋼、16Mnq叫鋼，取人：345Nmn2；對Q390鋼、15MnVq鋼，取，二390Nmn，以免甥性發(fā)展局部失穩(wěn)。 對需要計算疲勞的梁，仍按上式計算，但取yy=yv=1

8、0，即為彈性設(shè)計。 2012 梁的抗剪強度計算 在主平面內(nèi)受彎的實腹梁，其抗剪強度應(yīng)按下式計算第九章 塑性，設(shè)計 第一節(jié) 一般要求 對超靜定的梁和框架采用塑性設(shè)計，可以充分利用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的塑性性能達到節(jié)約材料的目的。在建筑結(jié)構(gòu)中，早在20世紀初期就已提出塑性設(shè)計的概念，并得到試驗驗證。1948年英國在其BS449規(guī)范中正式規(guī)定可以采用塑性設(shè)計。其后，世界很多國家和地區(qū)的規(guī)范或設(shè)計文件中，陸續(xù)對塑性設(shè)計作了反映，其中有詳細規(guī)定條文的有；美國AISC(1993規(guī)范，澳大利亞ASCA，(1968規(guī)范，加拿大CSASl6(1969，1974規(guī)范，法國鋼結(jié)構(gòu)塑性分析建議(1975，印度ISI手冊， 日本

9、鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計規(guī)范(1970等等；而僅規(guī)定允許采用塑性設(shè)計的有：奧地利B4600(1964規(guī)范，捷克CSN 73規(guī)范，丹麥規(guī)范，西德DINl050規(guī)范，意大利CNRUNll01167規(guī)范，墨西哥建筑規(guī)范，瑞典SBN67規(guī)范，瑞士SIAN0161規(guī)范等等。 歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的建議(1983年稿和國際標準化組織的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(1985年稿，都將塑性分析和彈性分析并列為重要的計算準則。 我國GB 50017規(guī)范專門列出“塑性設(shè)計”一章，指出：不直接承受動態(tài)荷載的固端梁、連續(xù)梁以及由實腹構(gòu)件組成的單層和兩層框架結(jié)構(gòu)，可采用塑性設(shè)計。而且規(guī)定：采用塑性設(shè)計的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)采用荷載的

10、設(shè)計值；考慮構(gòu)件截面內(nèi)塑性發(fā)展及由此引起的內(nèi)力重分配，用簡單塑性理論進行內(nèi)力分析。 一、截面全塑性的極限彎矩 1受彎構(gòu)件的極限彎矩 在第四章第一節(jié)已經(jīng)講過，受純彎矩的，全截面幾乎全部進人塑性時達到承載能力極限，其極限彎矩(甥性鉸彎矩為 Mp=WpFy(91式中 。構(gòu)件的塑性截面模量。 塑性截面模量Wp與彈性截面模量W之比，vF=Wp/W，稱為截面形狀系數(shù)(其值參見第四章表41和42。用于塑性設(shè)計的工字形截面，繞強軸彎曲時，Rv=111114。所以充分考慮截面內(nèi)塑性發(fā)展時，其承載能力大于按彈性設(shè)計的10以上。 2軸心力和彎矩共同作用下的極限彎矩 軸心力將顯著地減小截面的極限彎矩。對繞強軸彎曲的工

11、字形截面，"和N的相關(guān)關(guān)系，可按第五章第二節(jié)的公式(553和(554來表達，由此畫出的相關(guān)曲線如圖91的實曲線所示。第298頁圖9I中，Np=Afy是全截面屈服的軸心力；Mp為由公式(91所表達的儀有彎矩作用時的極限彎矩;Mu'是N和M共同作用時的極限彎矩。NNa與M'a/Ma，的相關(guān)關(guān)系與Af/Aw。值(兒為一個翼緣截面積，Aw為腹板截面積有關(guān)，此比值愈小表示腹板截面積所占的比重愈大，相關(guān)曲線愈往外凸。在第五章的壓彎構(gòu)件考慮部分塑性的設(shè)計中，采用了圖中虛線所示的斜直線作為計算準則。在本章的塑性設(shè)計中，為了更充分地利用截面承載能力，采用了圖91中的兩段直線(點劃線，由

12、此得軸心力與彎矩共同作用下的極限彎矩為：式中 人，純剪屈服強度。 若單就，和，而言，應(yīng)力值都不可能達到其完全屈服值，除非其中另一項的應(yīng)力為零。因此，有剪應(yīng)力存在時，彎曲正應(yīng)力的極限分布情況只能如圖9，2(b所示，中部正應(yīng)力未達到人的腹板區(qū)域才能負擔剪應(yīng)力。當塑性鉸形成時，可以假定剪應(yīng)力呈拋物線分布，且中點最大剪應(yīng)max=Fvy人。由此可得有剪應(yīng)力存在時的截面極限彎矩為第四章 受彎構(gòu)件的計算 受彎構(gòu)件有實腹式和桁架式兩種，但我國習慣僅指前者。實腹式受彎構(gòu)件通常稱為梁。梁在計算中應(yīng)考慮強度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等四個方面的問題。其中剛度計算是使梁在荷載標準值作用下的最大撓度不超過容許撓度，屬正

13、常使用極限狀態(tài)，已在第三章第四節(jié)闡述。本章僅敘述強度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的計算。 第一節(jié) 梁的強度 一、梁的抗彎強度 1梁截面中的塑性發(fā)展 現(xiàn)以無孔眼削弱的單向彎曲梁(圖41。為例來說明梁的抗彎性能。第72頁可扯獲得較大的經(jīng)濟意義。但是，我們在利用塑性的同時，必須考慮到是否會因過度的塑性變形使梁不適于繼續(xù)承載。 梁截面出現(xiàn)塑性后，其跨中撓度與荷載分布情況有關(guān)。例如，圖42的兩種受荷情況的梁，假設(shè)塑性發(fā)展深度相同，彈性核只剩下截面高度的110(此時最大彎矩。已很接近塑性鉸彎矩。在跨中有一個集中荷載的粱(圖4，2a，出現(xiàn)的塑性區(qū)段長度為2a，只占跨度的很小部分；而在14跨度處有兩個相同集中荷載的梁

14、(圖，42，出現(xiàn)的塑性區(qū)段長度卻達l2+2&，已超出跨度的一半。經(jīng)用曲率面積法或連續(xù)二次積分法計算，當這兩個梁的Aw=A1時，圖42(o梁的跨中撓度v1=128v(v為跨中截面邊緣屈服時的撓度，因塑性使梁的剛度下降并不大；但圖41(b梁的跨中撓度卻達p：二840。，剛度降低很大。如果兩梁在荷載標準值作用下的最大撓度均達到1400(樓蓋主粱的容許撓度，假設(shè)荷載分項系數(shù)的平均值為13，則在荷載設(shè)計值下的撓度為，那么u1和v2分別為第三章 基本設(shè)計規(guī)定 第一節(jié) 設(shè)計原則 一、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準(GB500682001(以下簡稱統(tǒng)一標準規(guī)定，各種建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用“以概率理

15、論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法”。極限狀態(tài)的定義為：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足某一規(guī)定功能的要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。各種承重結(jié)構(gòu)均應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計。 承載能力極限狀態(tài)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或達到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。 正常使用極限狀態(tài)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值的極限狀態(tài)，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中包括變形和振動等。 如何理解這些極限狀態(tài)呢?現(xiàn)舉例說明。圖31(d為一桁架結(jié)構(gòu)中的拉桿，截面無孔削弱，設(shè)計時應(yīng)進行下列方面的計算： 然后截面中的應(yīng)力達到鋼材屈服點，此拉桿并沒有被拉斷，也就是沒有達到最大承載能力。但是，從鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖316，Q235鋼中可以看到，應(yīng)力達屈服點人后應(yīng)變可以達到25左右，也就是材料每米伸長25mm，如果此桿件長為5m，則總伸長可達125nmi。拉桿發(fā)生這樣大的變形，肯定會影響整個桁架的工作，不但使整體桁架下塌，而且使受力體系改變。因此，無孔眼削弱的拉桿的強度計算應(yīng)屬于“不適于繼續(xù)承載第34頁的變形”的極限狀態(tài)。 至于端部連接焊縫的計算，是以焊縫破壞作為極限狀態(tài)的，就應(yīng)屬于達到“最大承載能力”的極限狀態(tài)。 (2驗算拉桿的長細比，使長細比不超過容許長細比，應(yīng)屬于“正常使用極限狀態(tài)”。因拉桿長細比過大時，可能會因自重而明顯下垂，也可能會在動力影響下發(fā)生