[PPT]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理之構(gòu)件截面承載力—強(qiáng)度

1、第3章 構(gòu)件截面承載力強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)承載能力的三種形式：構(gòu)件截面承載能力：在荷載作用下截面的應(yīng)力與構(gòu)件材料相應(yīng)強(qiáng)度值的比較，即強(qiáng)度單個(gè)構(gòu)件的承載能力：構(gòu)件的穩(wěn)定性，與構(gòu)件的剛度有關(guān)整體結(jié)構(gòu)的承載能力：與抗側(cè)力構(gòu)件的剛度有關(guān)或與結(jié)構(gòu)體系中壓桿、壓彎構(gòu)件有關(guān)3.1軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度和截面選擇 1、軸心受力構(gòu)件的應(yīng)用：分類：軸心受壓構(gòu)件、軸心受拉構(gòu)件應(yīng)用：桁架：鋼屋架、托架、吊車梁以及制動(dòng)桁架；塔架：電視塔、氣象塔、輸電線路塔；網(wǎng)架：平面網(wǎng)架、空間網(wǎng)架；柱：操作平臺(tái)柱、抗風(fēng)柱；各種支撐結(jié)構(gòu)：屋面支撐、柱間支撐以上各種結(jié)構(gòu)中的每一根桿件均為軸心受力構(gòu)件。3.塔架1.桁架2.網(wǎng)架軸心受壓柱實(shí)腹式軸壓柱與格構(gòu)

2、式軸壓柱二、軸心受壓構(gòu)件的截面形式截面形式可分為：實(shí)腹式和格構(gòu)式兩大類。1、實(shí)腹式截面2、格構(gòu)式截面截面由兩個(gè)或多個(gè)型鋼肢件通過綴材連接而成。3、截面選擇的基本原則：滿足強(qiáng)度所需的截面面積；滿足剛度的要求；制作簡(jiǎn)便；便于連接三、軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度 強(qiáng)度計(jì)算（承載能力極限狀態(tài)） N軸心拉力或壓力設(shè)計(jì)值； An構(gòu)件的凈截面面積； f鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。軸心受壓構(gòu)件，當(dāng)截面無削弱時(shí)，強(qiáng)度不必計(jì)算。軸心受力構(gòu)件軸心受拉構(gòu)件軸心受壓構(gòu)件強(qiáng)度 （承載能力極限狀態(tài)）剛度 （正常使用極限狀態(tài)）強(qiáng)度剛度 （正常使用極限狀態(tài)）穩(wěn)定（承載能力極限狀態(tài)）軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)壓桿截面無孔洞時(shí)，構(gòu)件承載力是由

3、穩(wěn)定來控制，此時(shí)強(qiáng)度可不計(jì)算；當(dāng)壓桿截面有孔洞時(shí)，構(gòu)件承載力可由強(qiáng)度來控制，此時(shí)即要計(jì)算凈截面強(qiáng)度又要計(jì)算桿件的穩(wěn)定性；梁承受橫向荷載的受彎實(shí)腹式構(gòu)件 格構(gòu)式梁桁架一、類型3.2 梁的類型和強(qiáng)度按制作方法分：型鋼梁、組合（截面）梁 樓蓋梁 平臺(tái)梁按功能分 吊車梁 檁條 墻架梁等1.型鋼梁2.組合梁3.單向彎曲梁與雙向彎曲梁4.梁的計(jì)算內(nèi)容正常使用極限狀態(tài) 剛度(計(jì)算撓度小于允許撓度)承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度局部壓應(yīng)力折算應(yīng)力整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算：直接承受動(dòng)力荷載的梁，當(dāng)n 5104次時(shí)應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。 梁的正應(yīng)力：以工字型截面為例，純彎曲的簡(jiǎn)支梁的M-曲線。有四個(gè)階段：1）彈

4、性工作階段2）彈塑性工作階段3）塑性工作階段4）應(yīng)變硬化階段3.2.2 梁的彎曲、剪切強(qiáng)度(一)抗彎強(qiáng)度1.工作性能（1）彈性階段 x xfy彈性階段的最大彎矩:注：需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的梁以此作為承載能力極限狀態(tài)；冷彎薄壁梁也以此作為承載能力極限狀態(tài)(2)彈塑性階段 x xfyaafyfy分為 和 兩個(gè)區(qū)域。 梁翼緣邊緣纖維應(yīng)力已達(dá)到屈服點(diǎn)，開始形成塑性區(qū)，并從翼緣開始逐步向中和軸發(fā)展。靠近中和軸部分腹板面積仍保持彈性階段。這時(shí)所增加的外力M全部由彈性區(qū)來承受。普通鋼結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件就是以這個(gè)階段作為承載力極限狀態(tài)。此時(shí)只考慮部分截面塑性發(fā)展。 x xfyaafyfy(3)塑性工作階段彈性區(qū)消失，形

5、成塑性鉸 。是鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑性設(shè)計(jì)的依據(jù)。此時(shí)截面出現(xiàn)塑性鉸，Mxp即為塑性鉸彎矩。塑性鉸彎矩 與彈性最大彎矩 之比:只取決于截面幾何形狀而與材料的性質(zhì)無關(guān)的形狀系數(shù)。對(duì)X軸對(duì)Y軸XXYYA1Aw（4）應(yīng)變硬化階段 梁翼緣的強(qiáng)度有所增加，但在計(jì)算時(shí)不利用這一階段的強(qiáng)度值，作為強(qiáng)度儲(chǔ)備。2.抗彎強(qiáng)度計(jì)算 梁設(shè)計(jì)時(shí)只是有限制地利用截面的塑性，如工字形截面塑性發(fā)展深度取ah/8。(1)單向彎曲梁(2)雙向彎曲梁 x xaafy式中：截面塑性發(fā)展系數(shù)，對(duì)于工字形截面梁: 其他截面見表3-4。當(dāng)翼緣外伸寬度b與其厚度t之比滿足:時(shí)，需要計(jì)算疲勞強(qiáng)度的梁:XXYYbt（二）抗剪強(qiáng)度VmaxMmaxtmax

6、x x在荷載作用下梁截面既有彎矩又有剪力（純彎曲梁除外），截面既有正應(yīng)力又有剪應(yīng)力。對(duì)熱軋型鋼，由于其腹板較厚，若腹板無孔洞或截面削弱，一般情況下不驗(yàn)算剪應(yīng)力；（三）局部壓應(yīng)力 當(dāng)梁的翼緣受有沿腹板平面作用的固定集中荷載且荷載處又未設(shè)置支承加勁肋時(shí)，或有移動(dòng)的集中荷載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算腹板高度邊緣的局部承壓強(qiáng)度。F 集中力,對(duì)動(dòng)力荷載應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)；集中荷載增大系數(shù)，重級(jí)工作制吊車為1.35， 其他為1.0；lz -集中荷載在腹板計(jì)算高度邊緣的假定分布長(zhǎng)度： a-集中荷載沿梁跨度方向的支承長(zhǎng)度，對(duì)吊車輪壓可 取為50mm； hy-自梁承載邊緣到腹板計(jì)算高度邊緣的距離； hR-軌道的高度，計(jì)算處無軌道時(shí)

7、取0； a1 -梁端到支座板外邊緣的距離，按實(shí)際取，但不得 大于2.5hy。梁端支座反力：跨中集中荷載：腹板的計(jì)算高度ho的規(guī)定：1軋制型鋼，兩內(nèi)孤起點(diǎn)間距;2焊接組合截面，為腹板高度;3鉚接時(shí)為鉚釘間最近距離。hobt1hobt1ho當(dāng)驗(yàn)算不滿足時(shí)應(yīng)采取措施：1、設(shè)置橫向加勁肋；（固定集中荷載）2、加大腹板厚度；（移動(dòng)集中荷載）（四）組合應(yīng)力（折算應(yīng)力）同一截面的同一部位有多種應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，是否滿足強(qiáng)度要求。以工字型截面為例：max （邊緣）、max（中和軸）是同一截面的不同部位。此外任一部位都有、，找最不利的部位。應(yīng)帶各自符號(hào)，拉為正。 計(jì)算折算應(yīng)力的設(shè)計(jì)值增大系數(shù)。 異號(hào)時(shí)，同號(hào)時(shí)或 原因

8、：1只有局部某點(diǎn)達(dá)到塑性 2異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)有利于塑性發(fā)展提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度 組合應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)應(yīng)注意：式3-31、32適用于外荷載通過截面剪心的情況；必須是同一截面同一部位的、c；式3-31、32應(yīng)用于特定截面、特定部位如：沿梁長(zhǎng)度方向：支座處、集中力作用處；變截面梁截面改變處,均布載荷不連續(xù)的截面； 沿梁高度方向：翼緣和腹板交界處； 為什么普通鋼結(jié)構(gòu)中鋼梁的強(qiáng)度不利用完全塑性而只考慮部分截面的塑性變形？當(dāng)截面發(fā)生塑性變形時(shí)，將使梁的撓度增大而不滿足正常使用的要求；梁翼緣與腹板交接處的折算應(yīng)力太大而不滿足要求；對(duì)梁的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定不利。規(guī)范規(guī)定梁的正應(yīng)力計(jì)算公式見第54頁。3.4 按強(qiáng)度條件選擇梁截面有

9、一個(gè)前提條件：當(dāng)梁的整體穩(wěn)定滿足要求時(shí)“可以通過強(qiáng)度條件選擇梁截面”。 初選截面熱軋型鋼（用于跨度不是很大的情況）： 利用公式焊接截面（用于跨度和荷載都較大的情況）：一、截面選擇 原則：強(qiáng)度、穩(wěn)定、剛度、經(jīng)濟(jì)性等要求1、截面高度（1）容許最大高度hmax凈空要求；（2）容許最小高度hmin 由剛度條件確定，以簡(jiǎn)支梁為例：（3）梁的經(jīng)濟(jì)高度he 經(jīng)驗(yàn)公式：綜上所述，梁的高度應(yīng)滿足：2、腹板高度hw 因翼緣厚度較小，可取hw比h稍小。hw1m時(shí)，取100的倍數(shù)，（以mm計(jì)）3、腹板厚度tw 由抗剪強(qiáng)度確定： 一般按上式求出的tw較小，可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 構(gòu)造要求：一般bf以10mm為模數(shù)， t以2

10、mm為模數(shù)。確定bf 、t尚應(yīng)考慮板材的規(guī)格及局部穩(wěn)定要求。bfhwh1httwxx4、翼緣尺寸確定： 由Wx及腹板截面面積確定。確定翼緣的寬度bf和厚度t：構(gòu)造要求：1）t取2的倍數(shù)，b取10的倍數(shù)；bmin= 180mm（一般梁） 300mm(吊車梁）2) 并應(yīng)盡量寬一些，有利于梁的穩(wěn)定；3）滿足局部穩(wěn)定的要求：二、截面驗(yàn)算 截面確定后，求得截面幾何參數(shù)Ix Wx Iy Wy 等。1、強(qiáng)度驗(yàn)算：抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、局壓強(qiáng)度、折 算應(yīng)力；2、整體穩(wěn)定驗(yàn)算；3、局部穩(wěn)定驗(yàn)算，對(duì)于腹板一般通過加勁肋來保證4、剛度驗(yàn)算；5、動(dòng)荷載作用，必要時(shí)尚應(yīng)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。應(yīng)注意：截面驗(yàn)算時(shí)應(yīng)將梁的自重加進(jìn)去。

11、三、組合梁截面沿長(zhǎng)度的改變 截面M沿l改變，為節(jié)約鋼材，將M較小區(qū)段的梁截面減小，截面的改變有兩種方式：1、改變翼緣板截面 指受強(qiáng)度控制的焊接截面，可以沿梁的長(zhǎng)度方向變化。主要用在實(shí)腹式焊接吊車梁。bfbf12.5（4)（a）（b）ll/6l/6M1M1M（1）單層翼緣板，一般改變bf，而t不變，做法如圖： （2）多層翼緣板，可采用切斷外層翼緣板的方法，斷 點(diǎn)計(jì)算確定，做法如圖： 為了保證，斷點(diǎn)處能正常工作，實(shí)際斷點(diǎn)外伸長(zhǎng)度l1應(yīng)滿足：lM1M1l1l1 1）端部有正面角焊縫時(shí)： 當(dāng)hf 0.75t1時(shí)： l1 b1當(dāng)hf 0.75t1時(shí)： l1 1.5b1 2）端部無正面角焊縫時(shí)：l1 2b

12、1 b1 、t1外層翼緣板的寬度和厚度； hf 焊腳尺寸。lM1M1l1l12、改變梁高 具體做法如圖：hh/2hh/2抵緊焊接l/6 l/5端部腹板高度應(yīng)滿足抗剪強(qiáng)度的要求；梁端部高度不小于梁高的一半；轉(zhuǎn)折點(diǎn)的距離為（1/51/6）梁的跨度；轉(zhuǎn)折點(diǎn)處腹板設(shè)橫向加勁肋。梁的扭轉(zhuǎn)自由扭轉(zhuǎn)：截面之間無約束，可以自由翹曲，縱向纖維無軸向應(yīng)變，截面只有剪應(yīng)力。其計(jì)算公式為3-11、3-12；從式3-11中可知，It愈大，則抗扭剛度G It也愈大，抗扭性能就愈好。將截面面積相同的工字型截面和箱形截面進(jìn)行比較。約束扭轉(zhuǎn)：桿件端部的支承使截面之間互相約束，其截面的翹曲變形受到約束，縱向纖維有軸向拉伸或壓縮，

13、截面除有剪應(yīng)力外，還有正應(yīng)力。引起截面剪應(yīng)力的扭矩有兩部分組成：自由扭轉(zhuǎn)力矩和約束扭轉(zhuǎn)力矩。其計(jì)算公式為3-27。約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力的計(jì)算公式見第61頁。3.5 梁的內(nèi)力重分布和塑性設(shè)計(jì)內(nèi)力重分布：對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)，截面出現(xiàn)塑性鉸后，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，使其他截面出現(xiàn)塑性鉸，直至形成機(jī)動(dòng)結(jié)構(gòu)。塑性設(shè)計(jì)：就是利用內(nèi)力重分布，使截面達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，充分發(fā)揮材料的潛能。鋼材性能要滿足以下要求：1）515%；2）u 20y；3) fu/fy 1.2塑性設(shè)計(jì)適用范圍：不直接承受動(dòng)荷載的超靜定梁；由實(shí)腹構(gòu)件組成的單層和兩層框架。3.6 拉彎、壓彎構(gòu)件的應(yīng)用和強(qiáng)度計(jì)算一、應(yīng)用 一般工業(yè)廠房和多層房

14、屋的框架柱均為拉彎和壓彎構(gòu)件。NMNe二、截面形式 實(shí)腹式拉彎構(gòu)件的截面出現(xiàn)塑性鉸是承載能力的極限狀態(tài)；對(duì)格構(gòu)式拉彎桿繞虛軸受彎和冷彎薄壁型鋼截面拉彎桿，把截面邊緣達(dá)到屈服強(qiáng)度視為構(gòu)件極限狀態(tài)，以上屬于強(qiáng)度破壞形式； 對(duì)軸心拉力很小而彎矩很大的拉彎桿也可能存在和梁類似的彎扭失穩(wěn)的破壞形式。拉彎構(gòu)件破壞形式壓彎構(gòu)件的破壞形式 取決于桿的受力條件，桿的長(zhǎng)度，支承條件、截面的形式和尺寸等。對(duì)粗短桿和截面有嚴(yán)重削弱的桿可能產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，此外大多數(shù)壓彎構(gòu)件總是整體失穩(wěn)破壞。組成壓彎構(gòu)件的板件，還有板件屈曲將促使構(gòu)件提前失穩(wěn)的局部失穩(wěn)破壞。三、計(jì)算內(nèi)容拉彎構(gòu)件： 承載能力極限狀態(tài)：強(qiáng)度 正常使用極限狀態(tài)：

15、剛度強(qiáng)度穩(wěn)定實(shí)腹式 格構(gòu)式 彎矩作用在實(shí)軸上 彎矩作用在虛軸上 (分肢穩(wěn)定)整體穩(wěn)定局部穩(wěn)定平面內(nèi)穩(wěn)定 平面外穩(wěn)定 承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)剛度壓彎構(gòu)件：3.6.2 拉彎和壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度一、截面應(yīng)力的發(fā)展 以工字形截面壓彎構(gòu)件為例：hhwAfAfAwFy(A)(A)彈性工作階段HHNhhwAfAfAwfy(A)fy(B)fyfy(C)fyfy(D)(D)塑性工作階段塑性鉸(強(qiáng)度極限)(B)最大壓應(yīng)力一側(cè)截面部分屈服(C)截面兩側(cè)均有部分屈服hhh-2h （A）整個(gè)截面處于彈性狀態(tài)；（B）截面受壓部分進(jìn)入塑性狀態(tài)；（C）受拉區(qū)進(jìn)入塑性狀態(tài)；（D）整個(gè)截面進(jìn)入塑性狀態(tài)，即出現(xiàn)塑性鉸。 強(qiáng)度極限狀態(tài)是構(gòu)件截面出現(xiàn)塑性鉸。HHNhhwAfAfAwfyfy(D)塑性鉸(強(qiáng)度極限)截面分解hhh-2h 對(duì)于工字形截面壓彎構(gòu)件，由圖（D）內(nèi)力平衡條件可得，N、M無量綱相關(guān)曲線： N、M無量綱相關(guān)曲線是一條外凸曲線，規(guī)范為簡(jiǎn)化計(jì)算采用直線代替，其方程為：01.01.