鋼結(jié)構(gòu)之鋼柱與鋼壓桿

鋼結(jié)構(gòu)之鋼柱與鋼壓桿第一頁，共一百一十七頁。5.1應(yīng)用與構(gòu)造一、應(yīng)用桁架、網(wǎng)架、塔架與框架中存在著大量的承受軸心壓力的軸心受壓構(gòu)件以及同時(shí)承受軸心壓力和彎矩的壓彎構(gòu)件。第二頁，共一百一十七頁。第三頁，共一百一十七頁。F基礎(chǔ)第四頁，共一百一十七頁。二、種類實(shí)腹式、格構(gòu)式第五頁，共一百一十七頁。5.2軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件的整體穩(wěn)定

軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)需要滿足強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的要求，其中整體穩(wěn)定性是主要決定因素。第六頁，共一百一十七頁。一、理想軸心壓桿的臨界力

理想軸心壓桿：（1）等截面直桿（2）壓力線與形心線重合（3）材質(zhì)均勻，各向同性，且無限彈性，符合虎克定律第七頁，共一百一十七頁。1、理想等直細(xì)長軸心壓桿的穩(wěn)定問題

歐拉公式第八頁，共一百一十七頁。l0＝ll0＝2l

l0＝0.5l

l0＝0.7l

第九頁，共一百一十七頁。第十頁，共一百一十七頁。第十一頁，共一百一十七頁。2、非彈性范圍的壓桿的臨界應(yīng)力

第十二頁，共一百一十七頁。柱子曲線Q235鋼第十三頁，共一百一十七頁。二、殘余應(yīng)力的影響

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，理想的軸心壓桿是不存在的，由于種種原因，經(jīng)常出現(xiàn)一些不利的因素，例如桿件的初彎曲、荷載的初偏心等，都在不同程度上使壓桿的穩(wěn)定承載能力降低。影響降低壓桿穩(wěn)定承載能力的主要因素之一是由于殘余應(yīng)力的存在。第十四頁，共一百一十七頁。軋制翼緣板焰切翼緣板1、不同加工方法的殘余應(yīng)力分布情況第十五頁，共一百一十七頁。2、殘余應(yīng)力與作用平均應(yīng)力的疊加第十六頁，共一百一十七頁。3、非彈性范圍的壓桿的臨界應(yīng)力第十七頁，共一百一十七頁。第十八頁，共一百一十七頁。由于殘余應(yīng)力的存在，使壓桿截面提前出現(xiàn)塑性區(qū)，從而降低了壓桿臨界應(yīng)力，降低多少取決于Ie/I比值的大小，而Ie/I比值又與殘余應(yīng)力的分布與大小、桿件截面的形狀以及屈曲時(shí)的彎曲方向有關(guān)。第十九頁，共一百一十七頁。三、實(shí)際軸心壓桿的穩(wěn)定極限承載力1、實(shí)際壓桿的工作性能存在初始缺陷：初偏心、初彎矩、殘余應(yīng)力、材質(zhì)不均勻2、壓潰理論考慮初偏心和殘余應(yīng)力的影響，將壓桿作為一根有小偏心壓力作用的偏心壓桿，由此求其穩(wěn)定承載能力的理論方法第二十頁，共一百一十七頁。第二十一頁，共一百一十七頁。3、驗(yàn)算方法（1）根據(jù)截面形式、尺寸、加工條件、殘余應(yīng)力的大小和分布等因素，按壓潰理論計(jì)算出96條無量綱的柱子線（2）采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和可靠度分析方法，將承載能力相近的按截面形式、屈曲方向和加工條件歸納為a、b、c三類曲線第二十二頁，共一百一十七頁。穩(wěn)定系數(shù)：第二十三頁，共一百一十七頁。第二十四頁，共一百一十七頁。第二十五頁，共一百一十七頁。（3）實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算公式注意構(gòu)件對截面主軸x和y得計(jì)算長度可能相等或不相等。在長細(xì)比的計(jì)算中：第二十六頁，共一百一十七頁。第二十七頁，共一百一十七頁。為了減小構(gòu)件在制造、運(yùn)輸和安裝過程中因偶然碰撞而產(chǎn)生變形，或在使用中因自重引起得彎曲以及因動(dòng)載引起的振動(dòng)而影響正常使用，要保證構(gòu)件有足夠的剛度，對軸心受力構(gòu)件應(yīng)按照下式驗(yàn)算剛度：λ＝l/i≤[λ]主要結(jié)構(gòu)的壓桿的容許長細(xì)比為150，支撐中的壓桿的容許長細(xì)比為200，閘門構(gòu)件的容許長細(xì)比見表5-2。第二十八頁，共一百一十七頁。5.3軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件的局部穩(wěn)定1、翼緣板第二十九頁，共一百一十七頁。2、腹板第三十頁，共一百一十七頁。一、截面形式工字形、圓管（1）等穩(wěn)性x≈

y，或λx

≈λy（2）寬肢薄壁（3）制造省工（4）連接簡便5.4軸心受壓實(shí)腹柱的設(shè)計(jì)第三十一頁，共一百一十七頁。二、截面選擇（一）確定截面尺寸A、ix、iy、b1、

h

截面形式、計(jì)算長度l0和鋼材鋼號(hào)確定的前提下第三十二頁，共一百一十七頁。A.假定長細(xì)比λ查附錄七查出相應(yīng)的假定λ值時(shí)，可參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：當(dāng)l0=5～6m，N<1500kN時(shí)，可假定λ=70～100；N=1500～3500kN時(shí)，可假定λ=50～70。第三十三頁，共一百一十七頁。求對x軸彎曲所需的回轉(zhuǎn)半徑ix求對y軸彎曲所需的回轉(zhuǎn)半徑iyB.根據(jù)假定的λ值和等穩(wěn)定條件(一般取)，求得截面所需的回轉(zhuǎn)半徑，繼而確定所需截面的寬度和高度。系數(shù)值根據(jù)所選的截面形式由附錄八查得。第三十四頁，共一百一十七頁。軋制焊接第三十五頁，共一百一十七頁。（二）確定型鋼型號(hào)或組合截面的其它尺寸1、型鋼根據(jù)A、ix、iy查型鋼表選型號(hào)2、組合截面根據(jù)A、h、b1，考慮制造工藝，并結(jié)合鋼材規(guī)格選擇板件尺寸第三十六頁，共一百一十七頁。①截面高度h和翼緣寬度b1A.焊接工字形截面ix=0.43h，iy=0.24b1l0x

≈l0y，λx=λy第三十七頁，共一百一十七頁。B.焊接工字形截面ix=0.43h，iy=0.24b1l0x

≈2l0y，λx=λy第三十八頁，共一百一十七頁。②翼緣厚度t1和腹板厚度tw

先選腹板厚度，考慮局部穩(wěn)定性的影響第三十九頁，共一百一十七頁。第四十頁，共一百一十七頁。三、截面驗(yàn)算

1、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算N/A

≤f

2、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算3、有孔洞削弱，且截面強(qiáng)度驗(yàn)算

N/An

≤f第四十一頁，共一百一十七頁。四、構(gòu)造要求1、需設(shè)縱向加勁肋的柱以及h0/tw

≥80時(shí)，須成對布置橫向加勁肋2、每個(gè)運(yùn)輸單元至少應(yīng)布置兩道橫向加勁肋3、軸心受壓構(gòu)件的翼緣焊縫為構(gòu)造焊縫，不作計(jì)算，一般hf=6~8mm第四十二頁，共一百一十七頁。5.5軸心受壓格構(gòu)式構(gòu)件的穩(wěn)定性一、對實(shí)軸、虛軸的穩(wěn)定性（1）對實(shí)軸y的穩(wěn)定性相當(dāng)于實(shí)腹式受壓構(gòu)件，只考慮了彎矩對臨界力的作用（2）對虛軸x的穩(wěn)定性需考慮彎矩和剪力對臨界力的作用第四十三頁，共一百一十七頁。二、對虛軸的臨界應(yīng)力第四十四頁，共一百一十七頁。第四十五頁，共一百一十七頁。三、對虛軸的穩(wěn)定驗(yàn)算第四十六頁，共一百一十七頁。第四十七頁，共一百一十七頁。第四十八頁，共一百一十七頁。5.6軸心受壓格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)一、構(gòu)造形式1、雙肢槽鋼、工字形鋼2、四肢角鋼3、三肢、四肢鋼管第四十九頁，共一百一十七頁。4、角鋼綴條和鋼板綴板（1）綴條構(gòu)成桁架體系，剛度大，受力大的柱采用綴條式格構(gòu)柱（2）綴板構(gòu)成剛架體系，受力不大的柱采用綴板式格構(gòu)柱第五十頁，共一百一十七頁。二、軸心受壓格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)方法（一）由實(shí)軸y的穩(wěn)定性初選單肢截面1、假定長細(xì)比λy，按b類查表確定y，求出所需的總截面面積A=N/f，以及截面的回轉(zhuǎn)半徑iy=l0y/λy2、由A、iy查型鋼表選擇合適規(guī)格的型鋼第五十一頁，共一百一十七頁。第五十二頁，共一百一十七頁。第五十三頁，共一百一十七頁。第五十四頁，共一百一十七頁。（二）由等穩(wěn)條件λ0x=λy確定單肢間距1、由λ0x=λy確定虛軸穩(wěn)定所需的λx（1）綴條柱第五十五頁，共一百一十七頁。（2）綴板柱第五十六頁，共一百一十七頁。2、計(jì)算所需的回轉(zhuǎn)半徑i

x=l

ox/λx3、計(jì)算單肢間距

第五十七頁，共一百一十七頁。（三）綴條和綴板的設(shè)計(jì)1、綴材面的剪力確定綴材的作用：保證各單肢的整體工作（1）構(gòu)件為直線狀態(tài)時(shí)，沒有剪力產(chǎn)生（2）繞實(shí)軸彎曲時(shí)，單肢承受剪力（3）繞虛軸彎曲時(shí)，綴材承受剪力第五十八頁，共一百一十七頁。第五十九頁，共一百一十七頁。剪力值，由承受剪力的綴材面共同分擔(dān)第六十頁，共一百一十七頁。2、綴條的設(shè)計(jì)（a）單斜式

α=40?~50?（b）雙斜式

α=45?（c）設(shè)置橫綴條

α=45?第六十一頁，共一百一十七頁。單根綴條的內(nèi)力

第六十二頁，共一百一十七頁。單角鋼綴條為有小偏心的軸心受壓桿件（1）整體穩(wěn)定性

第六十三頁，共一百一十七頁。（2）焊縫連接計(jì)算（3）單肢穩(wěn)定

第六十四頁，共一百一十七頁。3、綴板設(shè)計(jì)第六十五頁，共一百一十七頁。（1）單塊綴板承受的垂直剪力Mb（2）綴板與單肢連接處的彎矩第六十六頁，共一百一十七頁。（3）連接焊縫角焊縫承受扭矩和剪力綴板與單肢搭接T（4）綴板構(gòu)造尺寸寬度

lb

≥2b1/3，厚度t≥b1/40，且≥6mm，搭接長度20~30mmV第六十七頁，共一百一十七頁。（5）單肢穩(wěn)定第六十八頁，共一百一十七頁。（四）格構(gòu)柱的構(gòu)造要求1、為增加構(gòu)件的抗扭剛度需設(shè)置橫隔，橫隔間距≤9倍的柱截面的較大寬度及8m2、在運(yùn)輸單元的端部和較大水平力作用處需設(shè)置橫隔3、在格構(gòu)柱的端部需設(shè)綴板第六十九頁，共一百一十七頁。5.7實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的承載能力受力類型：（a）偏心受壓（b）軸心壓力+端彎矩

（c）軸心壓力+橫向荷載第七十頁，共一百一十七頁。壓彎構(gòu)件的特點(diǎn)（1）彎矩和壓力都是主要的荷載（2）構(gòu)件可能在彎矩作用平面內(nèi)、彎矩作用平面外（側(cè)向）發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象壓彎構(gòu)件的承載能力決定于構(gòu)件的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，通常由整體穩(wěn)定性控制。第七十一頁，共一百一十七頁。Mx作用平面外的變形Mx作用平面內(nèi)的變形第七十二頁，共一百一十七頁。一、彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性第七十三頁，共一百一十七頁。1、對于彎矩作用平面內(nèi)有側(cè)移的框架以及懸臂構(gòu)件βmx＝1.0有側(cè)移無側(cè)移等效彎矩系數(shù)βmx的取值第七十四頁，共一百一十七頁。2、對于彎矩作用平面內(nèi)無側(cè)移的框架和兩端支承的構(gòu)件（1）無橫向荷載作用，M1，M2為端彎矩，，產(chǎn)生同向彎曲時(shí)取+；產(chǎn)生反向彎曲時(shí)取－第七十五頁，共一百一十七頁。（2）有端彎矩和橫向荷載作用時(shí)：產(chǎn)生同向彎曲βmx＝1.0；產(chǎn)生反向彎曲βmx＝0.85（3）無端彎矩，有橫向荷載作用時(shí)：在跨中有一個(gè)橫向集中荷載作用時(shí)，其它情況，βmx＝1.0第七十六頁，共一百一十七頁。單軸對稱截面，還需驗(yàn)算受拉翼緣第七十七頁，共一百一十七頁。二、彎矩作用平面外的穩(wěn)定性第七十八頁，共一百一十七頁。1、無橫向荷載作用，M1，M2為端彎矩，，產(chǎn)生同向彎曲時(shí)取+；產(chǎn)生反向彎曲時(shí)取－等效彎矩系數(shù)βtx的取值第七十九頁，共一百一十七頁。2、有端彎矩和橫向荷載作用時(shí)：產(chǎn)生同向彎曲時(shí)βtx＝1.0；產(chǎn)生反向彎曲時(shí)βtx＝0.853、無端彎矩，有橫向荷載作用，βtx＝1.04、懸臂構(gòu)件，βtx＝1.0第八十頁，共一百一十七頁。三、強(qiáng)度計(jì)算四、剛度計(jì)算λ≤[λ]第八十一頁，共一百一十七頁。第八十二頁，共一百一十七頁。一、軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件的穩(wěn)定按或分類查值，取由x、y方向的長細(xì)比較大的方向決定整體穩(wěn)定性第八十三頁，共一百一十七頁。二、軸心受壓格構(gòu)式構(gòu)件的穩(wěn)定1、對實(shí)軸y的穩(wěn)定由實(shí)軸的λy

查

y值2、對虛軸x的穩(wěn)定由虛軸的換算長細(xì)比λ0x

查

x值3、單肢的穩(wěn)定綴材節(jié)點(diǎn)間的單肢是一段軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件4、斜綴條也是軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件第八十四頁，共一百一十七頁。三、實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定1、彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性（x軸）第八十五頁，共一百一十七頁。2、彎矩作用平面外的穩(wěn)定性（y軸）第八十六頁，共一百一十七頁。5.8偏心受壓實(shí)腹柱的設(shè)計(jì)一、截面形式第八十七頁，共一百一十七頁。二、設(shè)計(jì)方法（一）初選截面結(jié)合經(jīng)驗(yàn)或參照已有工程資料，試選構(gòu)件截面，然后進(jìn)行驗(yàn)算、尺寸調(diào)整第八十八頁，共一百一十七頁。（二）截面驗(yàn)算2、剛度λ≤[λ]3、整體穩(wěn)定性（1）彎矩作用平面內(nèi)（2）彎矩作用平面外1、強(qiáng)度第八十九頁，共一百一十七頁。4、局部穩(wěn)定性（1）受壓翼緣第九十頁，共一百一十七頁。（2）腹板第九十一頁，共一百一十七頁。三、構(gòu)造要求實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的構(gòu)造與實(shí)腹式軸心受壓柱的要求一致，需布置橫向加勁肋、縱向加勁肋等。第九十二頁，共一百一十七頁。5.10梁與柱的連接一、頂面連接第九十三頁，共一百一十七頁。二、側(cè)面連接第九十四頁，共一百一十七頁。5.11柱腳一、軸心受壓柱腳（鉸接）靴梁第九十五頁，共一百一十七頁。軸心受壓柱腳的特點(diǎn)：（1）為鉸接連接，只傳遞壓力，不傳遞彎矩（2）錨栓只起固定作用，不用計(jì)算（3）柱端與底板間的焊縫僅起連接作用，不傳力，只考慮靴梁與底板間的焊縫受力

第九十六頁，共一百一十七頁。二、偏心受壓柱腳（剛接）M第九十七頁，共一百一十七頁。偏心受壓柱腳的特點(diǎn)：（1）為剛性結(jié)點(diǎn)，要求能傳遞彎矩和壓力（2）錨栓承受彎矩產(chǎn)生的拉力，需進(jìn)行計(jì)算（3）為保證柱腳與基礎(chǔ)形成剛性連接，錨栓固定在托座上，從底板外緣穿過，而不宜穿過底板第九十八頁，共一百一十七頁。一、理想的軸心壓桿的穩(wěn)定（2）非彈性階段歐拉公式（1）彈性階段第五章小結(jié)第九十九頁，共一百一十七頁。二、實(shí)際軸心壓桿的穩(wěn)定考慮初始缺陷對實(shí)際壓桿穩(wěn)定的影響，依據(jù)壓潰理論，將實(shí)際的軸心壓桿當(dāng)作一根有小偏心壓力作用的偏心壓桿第一百頁，共一百一十七頁。柱子曲線實(shí)際軸心壓桿的整體穩(wěn)定計(jì)算公式第一百零一頁，共一百一十七頁。三、軸心受壓實(shí)腹式構(gòu)件的穩(wěn)定問題按或分類查值，取分別計(jì)算x、y方向的長細(xì)比第一百零二頁，共一百一十七頁。四、軸心受壓實(shí)腹柱的設(shè)計(jì)（2）由λ求x、y

軸的回轉(zhuǎn)半徑ix、iy（3）由1、假定長細(xì)比λ

查值（1）確定截面所需面積第一百零三頁，共一百一十七頁。（1）型鋼：根據(jù)A、ix、iy查選型鋼規(guī)格（2）組合截面：根據(jù)A、h、b1，并考慮制造工藝、鋼材規(guī)格選擇組合鋼板的尺寸2、確定型鋼規(guī)格或鋼板尺寸3、截面驗(yàn)算（1）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算（2）局部穩(wěn)定性驗(yàn)算（3）剛度驗(yàn)算（4）強(qiáng)度驗(yàn)算第一百零四頁，共一百一十七頁。五、軸心受壓格構(gòu)式構(gòu)件的穩(wěn)定性1、對實(shí)軸y的穩(wěn)定由實(shí)軸的λy查

y

值2、對虛軸x的穩(wěn)定由虛軸的換算長細(xì)比λ0x

查

x值第一百零五頁，共一百一十七頁。1、由實(shí)軸y的穩(wěn)定性初選單肢截面（1）假定長細(xì)比λy

查y

值，求出所需的截面積及回轉(zhuǎn)半徑（2）由A、iy

查選型鋼規(guī)格六、軸心受壓格