(2021年整理)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義

（完整）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義（完整）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義PAGEPAGE3（完整）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義（完整）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對文中內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)校對，但是難免會(huì)有疏漏的地方，但是任然希望（（完整）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來便利。同時(shí)也真誠的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進(jìn)步的源泉，前進(jìn)的動(dòng)力。本文可編輯可修改，如果覺得對您有幫助請收藏以便隨時(shí)查閱，最后祝您生活愉快業(yè)績進(jìn)步，以下為（完整）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》陳紹蕃講義的全部內(nèi)容。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第一章鋼結(jié)構(gòu)的基本性能建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材都是塑性比較好的材料，在拉力作用下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線在超過彈性后有明顯的屈服點(diǎn)和一段屈服平臺(tái),然后進(jìn)入強(qiáng)化階段.傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以屈服點(diǎn)作為鋼材強(qiáng)度的極限，并把局部屈服作為承載能力的準(zhǔn)則。目前利用塑性的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)提上了日程。鋼材和其他建筑結(jié)構(gòu)材料相比，強(qiáng)度要高得多。在同樣的荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小，截面組成部分的厚度也小。因此，穩(wěn)定問題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一個(gè)突出的問題。建筑結(jié)構(gòu)鋼材有較好的韌性。因此，鋼結(jié)構(gòu)是承受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)。鋼材的韌性也不是一成不變的。材質(zhì)、板厚、受力狀態(tài)、溫度等都會(huì)對它產(chǎn)生影響?！句摬牡纳a(chǎn)及其對材性的影響】建筑結(jié)構(gòu)所用的鋼材包括兩大類:一類是熱軋型鋼和鋼板；另一類是冷成型（冷彎、冷沖、冷軋）的薄壁型鋼和壓型鋼板。一、鋼的熔煉冶煉按需要生產(chǎn)的鋼號(hào)進(jìn)行，它決定鋼材的主要化學(xué)成分。煉鋼的原料為99%鋼水+廢鋼+合金元素。平爐煉鋼的質(zhì)量優(yōu)于轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量。目前，我國采用轉(zhuǎn)爐煉鋼,轉(zhuǎn)爐鋼具有投資少、建廠快、生產(chǎn)效率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).二、鋼的脫氧脫氧的手段是在鋼液中加入和氧的親和力比鐵高的錳、硅和鋁.脫氧的程度對鋼材的質(zhì)量頗有影響。錳是弱脫氧劑.硅是較強(qiáng)的脫氧劑。鋁是強(qiáng)脫氧劑.鋼液中含有較多的FeO，澆注時(shí)FeO和碳相互作用，形成CO氣體逸出,引起鋼液的劇烈沸騰，這種鋼稱之為沸騰鋼。它夾雜較多FeO，冷卻后有許多氣泡。硅在還原氧化鐵的過程中放出熱量，使鋼液冷卻緩慢，氣體大多可以逸出，所得鋼錠稱之為鎮(zhèn)靜鋼.冷卻后因體積收縮而在上部形成較大縮孔,縮孔的孔壁有些氧化,在輥軋時(shí)不能焊合，必須先把鋼錠頭部切去。切頭后實(shí)得鋼材僅為鋼錠的80％～85％。對沖擊韌性（尤其是低溫沖擊韌性）要求高的重要結(jié)構(gòu)，如寒冷地區(qū)的露天結(jié)構(gòu),鋼材宜用硅脫氧后再用鋁補(bǔ)充脫氧的特殊鎮(zhèn)靜鋼.這種鋼比一般鎮(zhèn)靜鋼具有更高的室溫沖擊韌性和更低的冷脆傾向性和時(shí)效傾向性。鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量好于沸騰鋼。鎮(zhèn)靜鋼成本高。鎮(zhèn)靜鋼偏析小.鎮(zhèn)靜鋼的性能優(yōu)于沸騰鋼，主要表現(xiàn)在容易保證必要的沖擊韌性，包括低溫沖擊和時(shí)效沖擊，沖擊韌性好可以承受動(dòng)荷載和處于低溫的結(jié)構(gòu)。GB50017—2003規(guī)范規(guī)定沸騰鋼不能用于下列焊接結(jié)構(gòu):需要驗(yàn)算疲勞者；處于-30℃和更低溫度者；工作溫度低于-2GB700-88規(guī)定，Q235鋼分為A、B、C、D四級(jí)。前兩級(jí)可以是沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼，C級(jí)必須是鎮(zhèn)靜鋼。三、鋼的軋制輥軋是型鋼和鋼板成型的工序,是二次熔煉的過程，可以改善鋼材的性能。輥軋分熱軋和冷軋，以前者為主。冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和薄板.經(jīng)過熱軋后，鋼材組織密實(shí)，力學(xué)性能得到改善。這種改善主要表現(xiàn)在沿軋制方向上,從而使鋼材在一定程度上不再是各向同性體。經(jīng)過軋制之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片，出現(xiàn)分層現(xiàn)象.分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時(shí)出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變是屈服點(diǎn)應(yīng)變的數(shù)倍。型鋼和扁鋼總是沿輥軋方向受力，不存在非各向同性問題。鋼板則不同，垂直于輥軋方向受力,因此鋼板拉力試驗(yàn)的試樣應(yīng)垂直與軋制方向切去。軋制影響鋼材的塑性和韌性，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時(shí)加工、切割、焊接也產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱軋鋼材厚度小的強(qiáng)度高于厚度大的，而且塑性及沖擊韌性也比較好.因此鋼材的機(jī)械性能要按厚度分級(jí)。熱軋是不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力.在沒有外力作用下內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力叫做殘余應(yīng)力。板的尺寸越大，冷卻后的應(yīng)力也越大.各種截面的熱軋型鋼都有這類殘余應(yīng)力，不過隨截面形式和尺寸不同，殘余應(yīng)力的分布有所區(qū)別.一般地說，截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，對鋼構(gòu)件在外力作用下的性能有一定影響.殘余應(yīng)力影響變形、穩(wěn)定性、疲勞、低溫脆斷等。軋制普通工字鋼的軋機(jī)只有兩個(gè)水平軋輥。滾軋成型時(shí)，腹板所受壓力大于翼緣，翼緣所受壓力和它內(nèi)側(cè)的斜度有關(guān)。腹板的性能優(yōu)于翼緣.當(dāng)工字鋼作受彎構(gòu)件時(shí)，翼緣的應(yīng)力大于腹板，承載能力主要取決于翼緣的性能。我國規(guī)定,各類型鋼拉力試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的樣坯都從翼緣上切取，不過,槽鋼和工字鋼拉伸試件也可以在腹板取樣。判斷鋼結(jié)構(gòu)事故應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面,化學(xué)成分不均勻；C、S、P偏析，含量外多、內(nèi)少；厚鋼板要抽查檢驗(yàn)是否有層間撕裂，利用超聲波或X射線探傷。四、矯直和熱處理鋼材熱軋冷卻后存在殘余應(yīng)力，因此矯直后的殘余應(yīng)力應(yīng)是對原始?xì)堄鄳?yīng)力進(jìn)行重新分布.重分布使翼緣原始?xì)堄鄳?yīng)力峰值有所降低,將減輕用作壓桿時(shí)的不利作用。矯直有兩種方法，輥床調(diào)直和頂直。熱處理可以改變鋼材性能，建筑鋼材一般以熱軋狀態(tài)交貨，不進(jìn)行熱處理。熱處理包括調(diào)質(zhì)熱處理和正火。調(diào)質(zhì)熱處理包括淬火和高溫回火兩道工序。五、鋼材的勻質(zhì)和等向性鋼材內(nèi)部化學(xué)元素的分布不是完全均勻的。鋼錠的四周部分含碳減少，從周邊到中心碳逐漸增多，硫、磷等雜質(zhì)也聚集在冷卻較慢的部分，形成偏析。型鋼截面上不同部分的屈服點(diǎn)有差別,是力學(xué)性質(zhì)上的一種非勻質(zhì)現(xiàn)象。測試力學(xué)性能的方法是在翼緣上切取試樣確定屈服點(diǎn)比在腹板上取樣更能反映材料的實(shí)際性能。鋼材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，從力學(xué)角度來說也是一種不均勻性。鋼板的各向異性,表現(xiàn)在三個(gè)方向的受力性能。沿軋制方向力學(xué)性能最好，橫向稍差。鋼板如有分層，則沿厚度方向性能最差.是否分層,需用超聲波等手段探傷。對于比較重要的結(jié)構(gòu)，一是對鋼材進(jìn)行探傷檢查，并限制局部分層的面積，二是在設(shè)計(jì)時(shí)注意避免垂直于板面受拉和焊縫收縮造成層間撕裂?！炯庸︿摌?gòu)件性能的影響】一、加工對鋼構(gòu)件性能的影響鋼結(jié)構(gòu)的建造過程分為熱加工、冷加工和冷作硬化。熱加工,如鉆孔切割,影響殘余應(yīng)力。冷加工使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降。1、冷加工的影響冷加工考慮的因素有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、冷彎性能。冷加工后，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但塑性和沖擊韌性降低.韌性降低的原因包括冷加工和時(shí)效兩種因素.鋼材的剪切和沖孔，使剪斷的邊緣和沖出的孔壁嚴(yán)重硬化,甚至出現(xiàn)微細(xì)裂紋。對于比較重要的結(jié)構(gòu),剪斷處需要刨邊;沖孔只能用較小的沖頭，沖完再進(jìn)行擴(kuò)孔。目的都是把硬化部分除掉,以免裂紋在一定條件下擴(kuò)展。冷彎成型后彎角部分屈服點(diǎn)大幅度提高,同時(shí)抗拉強(qiáng)度也有所提高，但塑性降低.外側(cè)沿圓弧方向?yàn)槔?，沿半徑方向?yàn)閴嚎s，內(nèi)側(cè)沿弧線方向壓縮，沿半徑方向拉伸。當(dāng)材料彎成圓角時(shí)半徑和板厚之比越小,塑性應(yīng)變越大，屈服點(diǎn)提高幅度越大。Q345—16Mn,在－15℃以下不要冷加工,容易產(chǎn)生脆性斷裂。Q235-A3，在－2、熱加工的影響熱加工包括火焰切割、乙炔切割和焊接.焊接和焰割對鋼材焊接造成以下后果，焊縫金屬具有鑄造組織，不同于軋制鋼材，焊縫性能不如母材好,但強(qiáng)度高；焊弧的高溫使鄰近焊縫的鋼材發(fā)生組織變化，焊縫附近性能不好，形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)包括過熱區(qū)、正火區(qū)和部分重結(jié)晶區(qū)，在疲勞情況下,熱影響區(qū)容易破壞;局部性的高溫使鋼材發(fā)生塑性變形,冷卻后存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因是熔化鐵水膨脹,未熔化部分對其產(chǎn)生的應(yīng)力。焊縫金屬的碳含量稍低，而氮、氫、氧稍高。采用短弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊使熔化金屬和空氣更好的隔離，可以不同程度地氮和氧的含量。焊縫金屬含氫量高來源于大氣和焊條藥皮，包括藥皮的有機(jī)物成分和吸收的水分。當(dāng)冷卻快時(shí)氫能使焊縫金屬內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋。因此，受潮的焊條必須烘干后才能使用，重要結(jié)構(gòu)還要用低氫型焊條，以避免出現(xiàn)裂紋。焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力和熱軋構(gòu)件的一樣，在整個(gè)截面上拉壓兩部分應(yīng)力自相平衡,不同的是焊接構(gòu)件在焊縫及其近旁的殘余拉應(yīng)力特別高。三條焊縫情況要避免交叉，如不能避免，將次要焊縫斷開，不要貫通。在制造廠對焊接結(jié)構(gòu)的零件下料時(shí),要考慮施焊后冷卻的收縮而把材料適當(dāng)放長。如果兩個(gè)構(gòu)件受到相連的剛性部分牽制而不能收縮，則整個(gè)構(gòu)件將產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是另一種殘余應(yīng)力，叫做反作用殘余應(yīng)力.3、熱矯正和熱成型常用的矯正方法是進(jìn)行局部加熱，使其冷卻后產(chǎn)生反向變形.為了防止淬火效應(yīng),加熱溫度不應(yīng)超過900℃，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定，低合金鋼在加熱矯正后應(yīng)自然冷卻.熱加工成型的構(gòu)件需要加熱到900～1000℃.二、制造和安裝的偏差對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響存在初始彎曲的軸心壓桿，受壓能力降低，既受壓又受彎。存在初始彎曲的軸心拉桿，不降低承受拉力的能力。桿長度的偏差會(huì)使體系內(nèi)壓力和拉力在體系內(nèi)自相平衡.由于出現(xiàn)在承受荷載之前，稱為殘余內(nèi)力。當(dāng)殘余內(nèi)力和載荷引起的內(nèi)力同號(hào)時(shí)，將使承載能力降低?！就饨缱饔脤︿摻Y(jié)構(gòu)性能的影響】外界作用包括鋼結(jié)構(gòu)建成后的使用荷載和大氣作用等。一、多軸應(yīng)力的影響鋼材在雙向拉力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低。在異號(hào)雙向應(yīng)力作用下屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度降低，延性率增大.三向受拉塑性比雙向受拉還低，破壞將是脆性的。三軸拉應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)是十分不利的。二、加荷速率的影響建筑結(jié)構(gòu)鋼材在沖擊性的快速加載作用下保持良好的強(qiáng)度和塑性變形能力。即在20℃左右的室溫環(huán)境下，鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增大而提高,塑性變形能力也提高.不利方面是脆性轉(zhuǎn)變溫度隨加荷速率增加而提高。三、循環(huán)加載的影響鋼材在多次重復(fù)荷載的循環(huán)荷載作用下滯回環(huán)豐滿而穩(wěn)定，這種好的性能為鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能能力提供了基礎(chǔ)。四、低溫和腐蝕性介質(zhì)的影響低溫使鋼材韌性降低,溫度降低到一定程度時(shí)鋼材在沖擊荷載作用下完全是脆性斷裂,腐蝕性介質(zhì)也會(huì)促成脆性斷裂并影響疲勞強(qiáng)度。五、高溫的影響除了有熱源的生產(chǎn)車間外，鋼結(jié)構(gòu)可能遭受的高溫主要來自火災(zāi)。如果應(yīng)力較高，且溫度接近600℃,則高溫軟化可以導(dǎo)致壓桿屈曲和拉桿出現(xiàn)頸縮，需要修復(fù)、加固或更換。如果火災(zāi)后構(gòu)件沒有新的變形，一般都可以繼續(xù)安全承載.防止鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷的途徑,一是用放火材料加以保護(hù),二是應(yīng)用耐火鋼材.第二章鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題概述鋼結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)可以出現(xiàn)于下列六種情況：1、整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡(如傾復(fù)）；2、結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度被超過而破壞;3、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系（倒塌);4、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（屈曲等）；5、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過度的塑性變形，而不適于繼續(xù)承載；6、在重復(fù)荷載作用下構(gòu)件疲勞斷裂?！句摻Y(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞】建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材具有很大的塑性變形能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)因抗拉強(qiáng)度不足而破壞時(shí)，破壞前呈現(xiàn)較大變形.但是當(dāng)結(jié)構(gòu)因受壓穩(wěn)定性不足而破壞時(shí)，可能在失穩(wěn)前只有很小的變形，即呈脆性破壞的特征。脆性破壞具有突發(fā)性，不能由變形發(fā)展的征兆及時(shí)防止，所以比塑性破壞危險(xiǎn)。按國家標(biāo)準(zhǔn)，脆性破壞的構(gòu)件的可靠指標(biāo)應(yīng)比延性破壞者提高一級(jí)，即安全等級(jí)為二級(jí)的構(gòu)件值由3。2提高到3。7?！臼Х€(wěn)類別】一、鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題分為兩類：1、第一類穩(wěn)定問題或具有平衡分岔的穩(wěn)定問題（也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。2、第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔穩(wěn)定的問題（也叫極值點(diǎn)失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的承載能力，屬于這一類.但某些結(jié)構(gòu)如坦拱，即使是完全彈性的，也沒有平衡分岔。二、彈性穩(wěn)定可以分為以下三類：1、穩(wěn)定分岔屈曲。結(jié)構(gòu)在達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí),從未屈曲的平衡位形過渡到無限鄰近的屈曲平衡位形，即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后，變形的進(jìn)一步增大，要求荷載增加.直桿軸心受壓和平板在中面受壓都屬于這種情況.2、不穩(wěn)定分岔屈曲。結(jié)構(gòu)屈曲后只能在比臨界荷載低的荷載下才能維持平衡位形。屬于這種情況的有承受軸向荷載的圓柱殼和承受均勻外壓力的全球殼，鋼結(jié)構(gòu)常用的綴條柱和圓柱殼很相似。薄壁型鋼方管壓桿也在一定條件下表現(xiàn)出類似特性.3、越躍屈曲。這種屈曲的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)由一個(gè)平衡位形突然跳到另一個(gè)平衡位形，其間出現(xiàn)很大的變形.屬于這種情況的有鉸接坦拱和油罐的扁球殼頂蓋。雖然在發(fā)生越躍后荷載可以大于臨界值，但實(shí)際工程中允許出現(xiàn)這樣大的變形，因此，應(yīng)該以臨界荷載作為承載的極限.越躍屈曲雖然沒有平衡分岔，卻和不穩(wěn)定分岔屈曲有相似之處，都是從喪失穩(wěn)定平衡后經(jīng)歷一段不穩(wěn)定平衡，然后重新獲得穩(wěn)定平衡。當(dāng)構(gòu)件有幾何缺陷時(shí)荷載和變形的關(guān)系。對于穩(wěn)定分岔屈曲，雖然有缺陷，荷載仍然可以高于臨界值；對于不穩(wěn)定分岔屈曲，缺陷使承載能力受到很大傷害，荷載的極限值比無缺陷時(shí)的臨界值大幅度降低。由此可見，屈曲為不穩(wěn)定分岔的結(jié)構(gòu)對缺陷特別敏感。對于非對稱結(jié)構(gòu)，可能出現(xiàn)一種特殊的非對稱特性：屈曲時(shí)向某一方向變形時(shí)呈穩(wěn)定分岔,向另一個(gè)方向變形時(shí)呈不穩(wěn)定分岔.【結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的特點(diǎn)】一、考慮變形對外力效應(yīng)的影響在分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力以求解算它的強(qiáng)度時(shí),除由柔索組成的結(jié)構(gòu)外，按未變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡經(jīng)?？梢垣@得足夠精確的結(jié)果。分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題則不同，必然涉及到結(jié)構(gòu)變形后的位形和變形對外力效應(yīng)（即二階效應(yīng)）。針對未變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，不考慮變形對外力效應(yīng)的影響，叫做一階分析；針對已變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，則是二階分析。應(yīng)力問題通常都是一階分析，只有少數(shù)特殊的結(jié)構(gòu)如懸索屋蓋、桅桿結(jié)構(gòu)和懸索橋，因?yàn)樽冃螌?nèi)力影響很大,才需要用二階分析.一般解算超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，雖然要考慮變形協(xié)調(diào)關(guān)系,并沒有全面考慮變形對外力效應(yīng)的影響。穩(wěn)定問題原則上都應(yīng)該用二階分析。但是，目前在計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)，確定計(jì)算長度雖然以已變形的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，而柱內(nèi)力卻是按一階分析算得的。如果要分析大變形、大撓度問題，曲率要用更精確的表達(dá)式，這時(shí)曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間不再存在線性關(guān)系，稱為三階分析。二、靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)分失去意義靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的劃分，是適應(yīng)應(yīng)力問題的需要而做出的：靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析只用靜力平衡關(guān)系就夠了；超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，則還需加上變形協(xié)調(diào)關(guān)系.三、疊加原理不適用疊加原理普遍用于應(yīng)力問題。它的應(yīng)用以滿足下列兩個(gè)條件為前提：1、材料服從胡克定律，亦即應(yīng)力與應(yīng)變成正比；2、結(jié)構(gòu)的變形很小，可以用一階分析來進(jìn)行計(jì)算.概括地說，也就是它既不存在物理的非線性，也不存在幾何的非線性。穩(wěn)定問題一般不符合第二個(gè)前提，因?yàn)樗枰枚A分析來計(jì)算.二階分析在曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間雖然可以看成存在線性關(guān)系，但內(nèi)力和變形之間常常是非線性關(guān)系。疊加原理不適用于二階分析。【穩(wěn)定計(jì)算中的整體觀點(diǎn)】結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力，和它的剛度密切相關(guān).梁屈曲時(shí)兼有側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種變形。由于驗(yàn)算構(gòu)件穩(wěn)定時(shí)形式上似乎是驗(yàn)算某一截面,往往使人對強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的實(shí)質(zhì)分辨不清.二者之間的原則區(qū)別是:強(qiáng)度是某一個(gè)截面的問題，而穩(wěn)定則是構(gòu)件整體問題，因?yàn)闃?gòu)件的剛度是它的整體組成所決定的，包括截面剛度和構(gòu)件長度。在處理穩(wěn)定問題時(shí),必須具有整體觀點(diǎn).從整體上看框架的側(cè)向剛度只能由懸臂柱提供，鉸接柱毫無抗側(cè)移的能力.因此懸臂柱對左柱上端提供彈性支座的作用，它的任務(wù)就不僅僅是承受本身的一半壓力，而是還要包括對左柱的支援作用，這種作用表現(xiàn)在承受水平力。水平力和壓力的合力是一個(gè)斜向作用力。處理穩(wěn)定問題應(yīng)該有整體的觀點(diǎn)，還可以從局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系來說明。局部和整體的相關(guān)關(guān)系可以概括為：整體缺陷促使截面局部弱化，局部弱化反過來又影響整體承載能力。最優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總是對缺陷很敏感的。只要有一點(diǎn)偏差，結(jié)構(gòu)的承載能力就要下降。整體和局部等穩(wěn)，是最優(yōu)化原理在壓桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,它充分表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)對缺陷的敏感性。缺陷可以使承載能力降低很多?！痉€(wěn)定設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)原則】一、在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)不喪失穩(wěn)定，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決,亦即設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。2、桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡化假設(shè)或典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。3、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。第三章鋼結(jié)構(gòu)的斷裂【鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞及其原因】冷加工和鑿痕是引起脆性破壞的部分原因。焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞也有和鉚接結(jié)構(gòu)共同之處，那就是經(jīng)常發(fā)生在氣溫較低的情況，結(jié)構(gòu)的鋼材厚度較大,一般處在靜力荷載作用下，而且應(yīng)力常常并未達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力,或雖達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)力但和材料的屈服點(diǎn)還有一段距離。破壞時(shí)結(jié)構(gòu)并未超載，表明脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)的一種特殊問題。綜上所述，造成脆斷的原因有:材質(zhì)不合格，低溫沖擊韌性差，以及匯交于節(jié)點(diǎn)板上各桿之間的空隙過小，低溫焊接產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力.在屋蓋結(jié)構(gòu)中,桁架比實(shí)腹構(gòu)件更容易脆斷。鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞事故不斷發(fā)生,除了采用焊接外，還有以下原因：結(jié)構(gòu)比過去復(fù)雜，有的使用條件惡劣（如海洋結(jié)構(gòu)），有的荷載很大，鋼材強(qiáng)度和鋼板厚度都趨于提高和增大，設(shè)計(jì)時(shí)采用更精細(xì)的計(jì)算方法并利用材料非彈性性能以盡量降低造價(jià)，致使結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備比過去有所降低?！緮嗔蚜W(xué)的觀點(diǎn)】斷裂是在荷載和侵蝕性環(huán)境的作用下，裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生的。焊接過程中可能出現(xiàn)的缺陷，包括宏觀裂紋，如角焊縫可能存在的缺陷，咬邊、未熔合、未焊透及氣孔等，其中以咬邊最為不利.結(jié)構(gòu)的無損探傷只有一定的靈敏度，太小的缺陷發(fā)現(xiàn)不了。所以，即使經(jīng)過探傷,也不能說構(gòu)件就不含有裂紋.按照線彈性斷裂力學(xué)，應(yīng)力強(qiáng)度因子，裂紋尺寸a越大，構(gòu)件所能安全承受的應(yīng)力就越小.裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，和構(gòu)件壓屈失穩(wěn)有些相似之處.壓桿所能承受的應(yīng)力為，長細(xì)比越大，越低；帶裂紋拉桿拉斷應(yīng)力,裂紋尺寸a越大,越低。建筑結(jié)構(gòu)所用鋼材屬于強(qiáng)度不高而韌性較好的鋼材，當(dāng)要解決低應(yīng)力脆斷問題時(shí)，需要用彈塑性斷裂力學(xué)代替斷裂力學(xué)來解決低應(yīng)力脆斷問題。目前可以用來衡量高韌性材料抵抗斷裂的能力的有裂紋張開位移理論(即COD理論)。按照這種理論當(dāng)薄板受拉滿足條件構(gòu)建即將開裂：公式左端代表裂紋頂端張開位移,右端是位移失穩(wěn)臨界值,和一樣，屬于材料的固有特性。簡化后整理得，這就是說，韌性好的材料制成的構(gòu)件什么時(shí)候出現(xiàn)斷裂，也和、兩個(gè)因素相關(guān).由于容易實(shí)驗(yàn),試件不要求很厚，故可由的試驗(yàn)值推算.應(yīng)力所起的作用應(yīng)該從能量的角度來理解.因裂紋出現(xiàn)而板單位厚度釋放出的應(yīng)變能是，則能量釋放率為。根據(jù)精確計(jì)算,的數(shù)值應(yīng)是:平面應(yīng)力狀態(tài)=；平面應(yīng)變狀態(tài)=。造成裂紋需要做一定的功W,它的數(shù)值和裂紋尺寸a成正比，即==常數(shù),出現(xiàn)裂紋過程中能量的總變化是。以裂紋出現(xiàn)和擴(kuò)展所需要的能量W為正，在此過程中釋放出的能量U為負(fù)。若，即穩(wěn)定擴(kuò)展階段；若，失穩(wěn)擴(kuò)展階段.（41)用高強(qiáng)度鋼材做成的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件中儲(chǔ)存的應(yīng)變能高，斷裂的危險(xiǎn)性也就大于用普通鋼材的結(jié)構(gòu)。因此,對高強(qiáng)鋼材的韌性應(yīng)該要求更高一些。一般建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材在室溫下的斷裂韌性值的測試，要求很厚的試件才能滿足平面應(yīng)變的條件，所以難以直接測得。鋼材的韌性目前還是以缺口沖擊韌性作為衡量的準(zhǔn)則，并用夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)值.實(shí)驗(yàn)表明，和的變化規(guī)律有一定的相似性，尤其是動(dòng)力荷載作用下更為類似，脆性轉(zhuǎn)變溫度也很接近?！痉乐勾嘈詳嗔选恳?、裂紋原始裂紋尺寸的控制主要由保證施工質(zhì)量和強(qiáng)檢驗(yàn)來解決。裂紋質(zhì)量不僅涉及到裂紋，還涉及到咬邊、欠焊、夾渣和氣孔等缺陷.因?yàn)檫@些缺陷或者本身就起裂紋的作用，或者能夠引發(fā)裂紋。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷超過允許限度,就需要加以補(bǔ)救.在工程實(shí)際上，焊縫長度小于6mm的裂紋在檢驗(yàn)時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)焊接兩板時(shí)，需要在兩板之間墊上軟鋼絲留出縫隙,焊縫有收縮余地，裂紋就不會(huì)出現(xiàn)。在焊接過程中，把角焊縫的表面做成凹形，有利于緩和應(yīng)力集中，但是經(jīng)驗(yàn)表明，凹形表面的焊縫，焊后比凸形的容易開裂,在凹形焊縫開裂的條件下，改用凸形縫，就不再開裂。焊縫的收縮作用還有可能引起板的層間撕裂。綜上所述,控制焊接結(jié)構(gòu)的初始裂紋需要在焊縫設(shè)計(jì)、施焊工藝和焊后檢驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)加以注意。二、應(yīng)力考察斷裂問題時(shí),應(yīng)力應(yīng)是構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力，它不僅僅和荷載大小有關(guān)，也和構(gòu)造形狀及施焊條件有關(guān).三軸同號(hào)應(yīng)力狀態(tài)的脆性破壞最為危險(xiǎn).應(yīng)力不僅要看它的大小，更重要的是要看應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，避免焊縫過于集中和避免截面突然變化，這樣都有助于防止脆斷。三、材料韌性規(guī)定以夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)作為材料韌性的判據(jù)。V形缺口試件吸收的功較少，脆性轉(zhuǎn)變溫度則稍高。鋼材的斷裂有幾種不同的表現(xiàn)，即可以是脆性斷裂、韌性斷裂或兼有脆性和韌性的斷裂.脆性斷裂的宏觀特征是沒有塑性變形，斷口表面呈顆粒狀，平齊而光亮，斷面和拉伸應(yīng)力的方向垂直；韌性斷裂則有明顯的宏觀塑性變形，并出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，斷口呈纖維狀,其斷裂機(jī)理是剪切斷裂過程。有塑性變形就要吸收較多的能量。材料斷裂時(shí)吸收的能量和溫度有密切關(guān)系。吸收的能量可以劃分為三個(gè)區(qū)域，即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。后者屬于完全脆性的斷裂，也屬于平面應(yīng)變狀態(tài)。所以沖擊韌性的指標(biāo)宜在彈塑性區(qū)域。加荷速率也是一個(gè)影響能量吸收額的頗為重要的因素.隨著加荷速率的減小,曲線向溫度較低的方向移動(dòng).有些結(jié)構(gòu)的鋼材在工作溫度下沖擊韌性很低，但仍能保持完好，就可以由加荷速率來說明。對于同一沖擊韌性的材料,當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載時(shí),允許最低的使用溫度要比承受靜力荷載高得多。加荷速率分為三級(jí)，緩慢加荷=10-5s-1，中速加荷=10—3s—1，動(dòng)力加荷=10s—1。當(dāng)應(yīng)變率低于緩慢加荷10-3s—1時(shí)屬于準(zhǔn)靜態(tài)情況,應(yīng)變率效應(yīng)可以略去不計(jì)。把加荷速率分為二級(jí),其中R1為靜力及緩慢加載,適合于承受自重、樓面荷載、車輛荷載、風(fēng)及波浪荷載以及提升荷載的結(jié)構(gòu);R2級(jí)為沖擊荷載，適用于高應(yīng)變速率如爆炸和沖撞荷載。因此，除遭強(qiáng)烈地震作用襲擊外，建筑結(jié)構(gòu)通常都可列為準(zhǔn)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，即在考慮荷載的動(dòng)力系數(shù)后按靜態(tài)結(jié)構(gòu)對待，不過承受多次循環(huán)荷載時(shí)需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。鋼材的厚度對它的韌性也有影響。薄板斷裂時(shí)幾乎呈完全韌性的剪切斷口，厚度稍大則呈韌性和脆性混合的斷口；厚板呈脆性的平斷口.作為材料的韌性指標(biāo)值，應(yīng)取平面應(yīng)變狀態(tài)的斷裂韌性KIC.12mm和更厚的板，沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣都是10mm×55mm×55mm。不同板厚的板用于同一截面尺寸的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，反映不出帶切口厚板處于平面應(yīng)變狀態(tài)的不利情況。缺點(diǎn)一是當(dāng)厚板和薄板的沖擊韌性相同時(shí)，厚板的韌性比薄板的低。另一個(gè)缺點(diǎn)是難于把裂紋擴(kuò)展和裂紋形成區(qū)分開來.為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，可以采用全厚度的試樣做靜力拉伸試驗(yàn)或落錘試驗(yàn)。靜力拉伸試驗(yàn)的試樣兩側(cè)都有V形缺口，在不同溫度下進(jìn)行這種試驗(yàn)，可以通過斷口顆粒狀部分所占百分比的變化來確定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度,也可以通過試樣拉斷的延伸率、厚度縮減率或拉伸圖所包的能量來考察向脆性的轉(zhuǎn)化。無韌性溫度NDT值比V形缺口沖擊試驗(yàn)所得的轉(zhuǎn)變溫度高15—25℃，因?yàn)槁溴N試驗(yàn)的動(dòng)力效應(yīng)大.對于厚度不大而韌性又高的鋼材，夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)這一指標(biāo)是可靠的。四、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式可以減小斷裂的不良后果。由于脆斷時(shí)應(yīng)力一般沒有達(dá)到設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)力,重分布后結(jié)構(gòu)仍可安全承載。當(dāng)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成超靜定的,即有贅余構(gòu)件的，可以減少斷裂造成的損失。當(dāng)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，注意使荷載能夠多路徑傳遞.多路徑不容易整體破壞，同時(shí)次要構(gòu)件和主要構(gòu)件同樣可以對多路徑傳遞作出貢獻(xiàn)。從控制脆斷的角度考慮，多路徑傳遞優(yōu)于單路徑傳遞。當(dāng)對梁做防斷裂設(shè)計(jì)時(shí)，如果受拉翼緣由一塊厚板組成，材料的韌性要求應(yīng)優(yōu)于多層較薄的板，才能夠得到統(tǒng)一的安全保證。當(dāng)腹板與翼緣板之間有間隙連接時(shí)，有利于裂縫到縫隙處停止。梁腹板和翼緣之間不受垂直于間隙的拉力,這是允許間隙存在的一個(gè)條件。五、鋼材選用設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，鋼材的選用也是防止脆斷的因素之一.【應(yīng)力腐蝕開裂】用作為判斷構(gòu)件是否會(huì)斷裂的準(zhǔn)則，只適用于處于非腐蝕性環(huán)境的構(gòu)件。在腐蝕性介質(zhì)中，雖然應(yīng)力低于值,經(jīng)過一定時(shí)期也會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂.這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力腐蝕開裂,也叫做滯后斷裂或延遲斷裂。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：構(gòu)件中原來存在的小裂紋在腐蝕性介質(zhì)作用下隨著時(shí)間的增長而逐漸擴(kuò)展，待達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件就會(huì)突然脆斷。應(yīng)力腐蝕斷裂主要發(fā)生在高強(qiáng)度材料，高強(qiáng)螺栓在使用過程中就有可能出現(xiàn)延遲斷裂的現(xiàn)象。在腐蝕性介質(zhì)中做試驗(yàn)來測定材料的斷裂韌性，所得結(jié)果要比在無腐蝕性介質(zhì)的大氣中測得的低。當(dāng)按原始裂紋算得的應(yīng)力場強(qiáng)度因子低于它的臨界值時(shí),不論時(shí)間多長，試件都不會(huì)斷裂。每一種材料在特定的腐蝕介質(zhì)中的是個(gè)常數(shù),一般。鋼材的含碳量越高，則韌性越低，抵抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能也越差.第四章疲勞破壞【影響疲勞破損的因素】一、疲勞荷載鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破損是裂紋在重復(fù)或交變荷載作用下的不斷開展以及最后達(dá)到臨界尺寸而出現(xiàn)的斷裂。二、疲勞破壞的過程一般地說，疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴(kuò)展和最后迅速斷裂。對于鋼結(jié)構(gòu),實(shí)際上只有后兩個(gè)階段，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)總會(huì)有內(nèi)在的微小缺陷,這些缺陷本身就起著裂紋的作用。疲勞破壞的起始點(diǎn)多數(shù)在構(gòu)件的表面。對非焊接構(gòu)件,表面上的刻痕、軋鐵皮的凸凹、軋鋼缺陷和分層以及焰割邊不平整、沖孔壁上的裂紋,都是裂源可能出現(xiàn)的地方。對焊接構(gòu)件,最經(jīng)常的裂源出現(xiàn)在焊縫趾處，那里常有焊渣侵入。有些焊接構(gòu)件疲勞破壞起源于焊縫內(nèi)部缺陷,如氣孔、欠焊、夾渣等。疲勞裂紋經(jīng)歷長期的荷載循環(huán)，擴(kuò)展十分緩慢;而脆性斷裂不經(jīng)長期的荷載循環(huán)。當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力較小時(shí),擴(kuò)展區(qū)所占范圍較大，而當(dāng)構(gòu)件應(yīng)力很大時(shí),擴(kuò)展區(qū)就比較小.擴(kuò)展區(qū)的表面光滑，而且是愈近裂源愈光,這是因?yàn)榱鸭y經(jīng)過多次開合的緣故。拉斷區(qū)可以是脆性的顆粒狀斷口，也可以時(shí)帶有一定韌性的斷口.三、疲勞試驗(yàn)的結(jié)果光滑試件的疲勞強(qiáng)度明顯高于帶槽試件，這是因?yàn)閹Р墼嚰膽?yīng)力集中使疲勞強(qiáng)度降低。因此，應(yīng)力集中是研究疲勞問題的重要因素。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力集中的程度由構(gòu)造細(xì)節(jié)決定。有橫向?qū)雍缚p的試件的疲勞強(qiáng)度隨焊縫余高角度的變化情況：角度愈小，應(yīng)力集中愈嚴(yán)重，疲勞強(qiáng)度愈低。應(yīng)力循環(huán)的特征可以由最小、最大應(yīng)力的比值來表示,以拉應(yīng)力為正。四、斷裂力學(xué)的分析用斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)考察疲勞問題，首先是分析裂紋擴(kuò)展速率。帶裂紋的鋼構(gòu)件是否進(jìn)一步開裂，取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子是否超過材料的斷裂韌性.應(yīng)力強(qiáng)度因子是對裂紋頂端周圍應(yīng)力和應(yīng)變的一個(gè)度量。裂紋的擴(kuò)展速率取決于K的變化幅度，即，此式常稱為Paris定律,式中n和C為與材料有關(guān)的常數(shù)。由于工程設(shè)計(jì)中用名義應(yīng)力計(jì)算，不計(jì)入應(yīng)力集中系數(shù)和殘余應(yīng)力影響,C還和構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān).嚴(yán)格地說，C，n不僅和材料有關(guān)，也和平均應(yīng)力及環(huán)境有一定關(guān)系。對于擴(kuò)展速率受R值影響的區(qū)域，可以用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅代替,則疲勞壽命的表達(dá)式為,式中a1和a2分別是裂紋的初始尺寸和裂紋緩慢擴(kuò)展階段結(jié)束時(shí)的尺寸。用來表示應(yīng)力幅，即,則有。對于鋼結(jié)構(gòu)，n值常在2.5~3.5之間，可取為3。0。GB50017規(guī)范規(guī)定允許應(yīng)力幅的計(jì)算公式是。五、環(huán)境的影響對于長壽命的疲勞,腐蝕的不利影響要比短壽命疲勞嚴(yán)重的多。腐蝕對疲勞裂紋的擴(kuò)展速率的影響和疲勞荷載的頻率有關(guān):頻率愈低影響愈大,但在擴(kuò)展速率低的范圍內(nèi)無明顯影響。六、提高疲勞壽命在同樣的應(yīng)力幅作用下，結(jié)構(gòu)沒有焊縫（也沒有截面變化)的部位，疲勞破壞前的循環(huán)次數(shù)高于有對接焊縫的部位，后者又高于有角焊縫的部位。延長疲勞壽命有三種方法.首先是減小初始裂紋尺寸,如果把減小為，則構(gòu)件所能承受的循環(huán)次數(shù)增加。這個(gè)增加頗為樂觀,原因是在裂紋尺寸很小時(shí)，擴(kuò)展速率很低.其他兩種方法是降低構(gòu)件所承受的應(yīng)力和采用韌性較好的材料。【疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則】一、基本原則在實(shí)際工程中，安全壽命法和破損安全法往往是結(jié)合在一起的。首先按安全壽命法的思路進(jìn)行設(shè)計(jì),爭取在使用期限不出現(xiàn)裂紋，同時(shí)也注意荷載的多路徑傳遞和結(jié)構(gòu)各部分都易于檢查,在意外地出現(xiàn)裂縫時(shí)依然保證安全.土建結(jié)構(gòu)的疲勞破壞可以采用使用壽命法來代替安全壽命法。兩者的差別是，前者在結(jié)構(gòu)達(dá)到安全使用壽命時(shí)不立即報(bào)廢,并且承認(rèn)在達(dá)到安全壽命前有可能出現(xiàn)疲勞裂縫。在使用壽命期間還需要注意的一個(gè)問題，就是荷載有無變化.如果造成疲勞的荷載比設(shè)計(jì)值增大,就需要對壽命做出新的估算.二、應(yīng)力比準(zhǔn)則和應(yīng)力幅準(zhǔn)則自從焊接結(jié)構(gòu)用于承受疲勞荷載以來，工程界從實(shí)踐中逐漸認(rèn)識(shí)到和這類結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)的不是應(yīng)力比R，而是應(yīng)力幅。應(yīng)力幅準(zhǔn)則的計(jì)算公式是，是容許應(yīng)力幅，它隨構(gòu)造細(xì)節(jié)而不同，也隨破壞前循環(huán)次數(shù)變化。焊接結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算宜以應(yīng)力幅為準(zhǔn)則，原因在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力。如前面所述,疲勞裂紋的起源常在焊趾或焊縫內(nèi)部的缺陷,而焊縫及其近旁經(jīng)常存在高達(dá)材料屈服點(diǎn)的拉伸殘余應(yīng)力。焊縫旁實(shí)際應(yīng)力的變化范圍：不論脈沖循環(huán)還是對稱循環(huán)，只要應(yīng)力幅相同，對構(gòu)件疲勞的實(shí)際效果就相同，而和應(yīng)力循環(huán)特征R或平均應(yīng)力無關(guān).裂紋擴(kuò)展只取決于施加的應(yīng)力幅.有縱向角焊縫的試件在疲勞強(qiáng)度時(shí)，對R<0的試件，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響大，而對R0的試件影響不大.對于R0的應(yīng)力循環(huán)，應(yīng)力幅準(zhǔn)則完全適用，因?yàn)橛袣堄鄳?yīng)力和無殘余應(yīng)力的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度相差不大。對于R〈0的應(yīng)力循環(huán),采用應(yīng)力幅準(zhǔn)則偏于安全較多。GB50017規(guī)范對非焊接結(jié)構(gòu)一律取下列有效應(yīng)力幅：，此式在應(yīng)力循環(huán)不變號(hào)時(shí)稍偏安全，但一般并不過分安全。三、構(gòu)造細(xì)節(jié)分類和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)構(gòu)件和連接的焊縫及其近旁有很高的殘余拉應(yīng)力.因此，即使施加的應(yīng)力循環(huán)完全在壓力范圍內(nèi)，實(shí)際的應(yīng)力波動(dòng)仍然是在拉力范圍內(nèi).在這樣的條件下,壓力范圍內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)仍然有可能造成疲勞裂紋。但是，裂紋一旦出現(xiàn)，殘余應(yīng)力得到釋放，就不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。因此，GB50017規(guī)范規(guī)定:在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞。在用應(yīng)力幅準(zhǔn)則驗(yàn)算時(shí)，按有關(guān)規(guī)范中構(gòu)造細(xì)節(jié)分類的規(guī)定來查用。按一般計(jì)算方法確定,不必計(jì)算殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，因?yàn)閾?jù)以確定的試件都含有殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中.特殊情況，橫向?qū)雍缚p上鉆孔，而按焊接連接去查用時(shí),就必須乘以相應(yīng)集中系數(shù).四、變幅疲勞荷載荷載變幅的疲勞問題，可以由式表達(dá)的線性累積損傷準(zhǔn)則來計(jì)算。式中：為應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)的作用次數(shù)；為應(yīng)力幅常幅作用下結(jié)構(gòu)的預(yù)期壽命。幾種不同應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)作用的先后順序不影響疲勞壽命.對于焊接構(gòu)件,常大于1，則用線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算的一般能保證安全。線性累積損傷準(zhǔn)則則由于使用方便，現(xiàn)在還是最通行的方法。在具體應(yīng)用這一準(zhǔn)則時(shí),可以采用等效常應(yīng)力幅代替變動(dòng)的應(yīng)力幅。等效應(yīng)力幅，把等效應(yīng)力幅除以滿載時(shí)的應(yīng)力幅可得應(yīng)力幅降低系數(shù)（也叫次載系數(shù)）。上式就是GB50017規(guī)范的公式，只是符號(hào)略有不同。在變幅疲勞的計(jì)算中還需要解決一個(gè)問題,即如何確定各應(yīng)力幅的作用頻數(shù)目前存在多種計(jì)算法。其中最常用的是雨流法?！酒谠囼?yàn)和檢驗(yàn)】試驗(yàn)研究可以分為兩類，一類是典型的連接細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)，目的在確定—N曲線以及在細(xì)節(jié)分類中的歸屬等。另一類是整個(gè)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn),目的在檢驗(yàn)一項(xiàng)具體設(shè)計(jì)的抗疲勞性能.有時(shí)這類試驗(yàn)也用來考察某一典型連接細(xì)節(jié)的疲勞性能。從彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果來看，小尺寸試件的疲勞強(qiáng)度比大尺寸試件稍高。另外，厚度很大的板質(zhì)量也不如中、小厚度板。對承受疲勞荷載的構(gòu)件，特別是容易開展疲勞裂紋的部位必須加強(qiáng)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)包括外觀檢查和無損檢查。外觀檢查要求仔細(xì)查看焊體周圍區(qū)域和平行于焊縫的板邊緣,尋找有無裂紋和層間撕裂。檢查人員要有豐富經(jīng)驗(yàn),并借助放大鏡和照明設(shè)備進(jìn)行工作，才能發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂紋。外觀檢查是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié),表面完好往往是焊接工作做的不錯(cuò)的標(biāo)志.無損檢查有多種方法,包括磁性顆粒法、染色體滲透法、射線照相檢查、超聲探傷法。磁性顆粒法可用以檢查出金屬表面裂紋或緊靠表面的內(nèi)部缺陷，最適合于壁厚不超過6。5mm的小型鋼管連接。在檢驗(yàn)時(shí)對焊縫區(qū)施以強(qiáng)大磁場，并鋪一層磁鐵顆粒。裂紋和夾雜等缺陷切斷磁力線，使粉末集中在這些區(qū)域。焊接產(chǎn)生的磁力性能的差異時(shí)?？梢圆槐厥┘哟艌龆材苡么判灶w粒來檢驗(yàn)。裂紋的深度可以通過打磨或超聲方法來測出.染色液體滲入法是使帶染料的液體滲入表面的細(xì)裂紋,然后通過顯色劑，把染料吸上來以顯示裂紋輪廓。射線照相檢查是依靠電磁射線來確定焊縫是否完好。光線和射線都能穿透像焊縫這樣的非透明體。在焊縫背后放上敏感膠片，即可取得焊縫結(jié)構(gòu)的永久記錄.射線照相法雖然是探查氣孔和夾渣等缺陷極好的辦法，但在實(shí)踐中對檢查某些焊縫連接不適用.超聲探傷從20世紀(jì)60年代以來逐漸成為焊接結(jié)構(gòu)連接無損檢查的最重要方法。此法利用高頻率聲波來檢查和測定母材在焊接前的缺陷和焊接連接的缺陷，它對表面裂紋和內(nèi)部裂紋都很敏感。此法對查找線缺陷和平面缺陷諸如未焊透、分層和裂紋十分靈敏。超聲檢驗(yàn)也受到一些限制，粗糙的表面會(huì)使靈敏度和可靠度降低,它不能像射線照相法那樣提供永久性記錄。此外，氣泡、夾渣等球狀缺陷不那么容易檢查出來，因?yàn)槌暡ㄓ龅剿鼈儠r(shí)會(huì)從旁邊繞過而不是像遇到線性缺陷那樣被反射回去.超聲技術(shù)在實(shí)踐中只限于用在板厚9.5mm以上的連接。承受疲勞作用的結(jié)構(gòu)在服役期間需要定期檢查。一旦發(fā)生裂紋后，檢查間隔時(shí)間應(yīng)不斷縮短，原因是隨著裂紋尺寸擴(kuò)展,開裂速度加快，對應(yīng)于同一裂紋擴(kuò)展量，時(shí)間間隔越來越短。【提高疲勞性能的工藝措施】工藝措施的目的是緩和應(yīng)力集中程度、消除切口，或是在表層形成壓縮殘余應(yīng)力.緩和應(yīng)力集中的最普遍方法是磨去焊縫的表面部分，如對接焊縫的余高。對角焊縫打磨焊趾，可以改善它的疲勞性能。焊縫的趾部經(jīng)常存在咬邊形成的切口，并且還有焊渣侵入.打磨后的表面不應(yīng)存在明顯的刻痕。對于角焊縫的趾部用氣體保護(hù)鎢弧使重新熔化，可以起消除切口的作用。這種方法在不同應(yīng)力幅情況下疲勞壽命都能同樣提高。在焊縫和近旁金屬的表層形成壓縮殘余應(yīng)力，是改善疲勞性能的一個(gè)有效方法。用噴射金屬丸粒或錘擊進(jìn)行敲打。梁的疲勞試驗(yàn)表明，當(dāng)在它未承受荷載前進(jìn)行敲擊處理，不如在承受荷載后處理的效果好.上述各種措施對不同的連接構(gòu)造疲勞性能的提高，其效果不盡相同。這些措施對高于400N/mm2的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，要比普通碳素鋼更為有效.這是因?yàn)椋海?）高強(qiáng)鋼材試件的疲勞強(qiáng)度高于低碳素鋼，原因是它的裂紋形成階段比后者長。若把焊接結(jié)構(gòu)的初始缺陷消除,效果就十分可觀。（2）高強(qiáng)鋼材焊接后殘余拉應(yīng)力高于低碳鋼的.施加殘余壓應(yīng)力以改善連接的疲勞性能，也優(yōu)于低碳鋼。第五章拉桿【拉桿的極限狀態(tài)】一、無孔拉桿焊接結(jié)構(gòu)中的拉桿，完全沒有螺栓孔（或鉚釘孔）者，屬于無孔拉桿。實(shí)際工程中的構(gòu)件總會(huì)有些幾何尺寸的偏差，其中包括初始彎曲和力作用點(diǎn)的偏差；另外，還會(huì)有殘余應(yīng)力。初始彎曲并不降低拉桿承載能力,只不過要使拉桿變形增大。在不產(chǎn)生疲勞的靜力荷載作用下，殘余應(yīng)力對拉桿的承載能力也沒有影響.構(gòu)件中的殘余應(yīng)力不論是熱軋引起的，還是焊接造成的,也不論其分布圖形如何，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是拉、壓兩種殘余應(yīng)力在截面上相互平衡。拉桿截面如果有突然變化，則應(yīng)力在變化處的分布不再是均勻的.設(shè)計(jì)拉桿應(yīng)該以屈服作為承載能力的極限狀態(tài).屈服結(jié)束進(jìn)入應(yīng)變硬化時(shí)的應(yīng)變值,據(jù)國內(nèi)試驗(yàn)資料是的8。9~16。9倍.如按12倍計(jì)算，則=12×1。15×10—3=0。0138，即屈服使材料每米伸長13。8mm.二、有孔拉桿有孔拉桿可以分為兩種類型：一種是鉚接結(jié)構(gòu)中的組合構(gòu)件，沿整個(gè)長度都分布有鉚釘；另一種是型鋼和焊接結(jié)構(gòu),僅在端部和其他構(gòu)件用螺栓或鉚釘連接.前一種構(gòu)件應(yīng)該以凈截面屈服為承載能力的極限狀態(tài),目前很少使用，后一種構(gòu)件應(yīng)用較多。它的承載能力極限狀態(tài)要從毛截面和凈截面兩方面來考慮。就毛截面來說，極限狀態(tài)仍然是應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)；就凈截面來說，則應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)才是極限狀態(tài).毛截面屈服和凈截面拉斷何者控制設(shè)計(jì),要經(jīng)過比較，比較時(shí)注意對二者采用不同的安全系數(shù)。凈截面應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度，構(gòu)件就要被拉斷.可以附加一個(gè)系數(shù)=1.2~1.3。因此，設(shè)計(jì)拉桿時(shí)拉力不應(yīng)超過和，是抗力分項(xiàng)系數(shù)，A和分別是毛截面和凈截面面積。由毛截面控制設(shè)計(jì)的條件是鋼，；鋼，.Q235鋼拉桿一般不會(huì)由凈截面強(qiáng)度控制，因?yàn)?A通常不低于0.80。對Q345鋼的構(gòu)件，如果要毛截面屈服控制，排列螺栓時(shí)需要注意在垂直拉力的方向不能太密。屈強(qiáng)比一般隨材料強(qiáng)度的提高而降低。初始彎曲和殘余應(yīng)力對有孔拉桿的影響和無孔拉桿的影響沒有區(qū)別.有孔拉桿受力的一個(gè)特殊情況,是孔洞造成的應(yīng)力集中.當(dāng)結(jié)構(gòu)承載靜力荷載時(shí)，只要材料有足夠的塑性和韌性，則在應(yīng)力高峰處材料屈服后，應(yīng)變增大而不斷裂,應(yīng)力分布逐漸平緩。最后，凈截面全部屈服，和沒有應(yīng)力集中的情況一樣.殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中不降低拉桿的靜力強(qiáng)度,靠的都是鋼材的塑性。由此可見,塑性變形的性能對鋼結(jié)構(gòu)十分重要?？着詰?yīng)力集中不影響桿的強(qiáng)度.【凈截面的效率】設(shè)計(jì)拉桿的拼接一般都注意截面的各部分盡量能得到直接拼接。直接傳力的條件下，凈截面全部有效.在節(jié)點(diǎn)上用兩塊節(jié)點(diǎn)板連于翼緣,而腹板沒有任何連接.這時(shí)，凈截面的強(qiáng)度就不能完全發(fā)揮出來。設(shè)拉斷力為N，A和分別是毛截面和凈截面面積，即，以作為有效凈截面，則凈截面的效率,的數(shù)值和很多因素有關(guān),其中一個(gè)重要因素就是構(gòu)件截面上的材料相對于節(jié)點(diǎn)板的分布情況。材料貼于節(jié)點(diǎn)板并和節(jié)點(diǎn)板相連的部分占的比重越大,就接近于1。這部分比重可以由構(gòu)件截面形心到節(jié)點(diǎn)板的距離來衡量。偏心距越大，則未直接連接于節(jié)點(diǎn)板的部分越大，分布情況越不利.對于雙節(jié)點(diǎn)板的連接，每塊節(jié)點(diǎn)板分擔(dān)構(gòu)件內(nèi)力的一半.因此，距離為半截面形心至節(jié)點(diǎn)板的距離.根據(jù)試驗(yàn)資料,凈截面的效率還和連接長度有關(guān)。值大者效率比小者高。桿寬度越大而連接長度越小，則危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力分布越不均勻。構(gòu)件拉斷時(shí)，危險(xiǎn)截面的應(yīng)力還不能完全均勻，從而使構(gòu)件承載能力降低。這種不均勻的現(xiàn)象起因于正應(yīng)力是靠剪力的作用逐漸由集中而轉(zhuǎn)化為均勻的。板的寬度越小，即需要傳播的范圍越窄，均勻分布也就能夠在越短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這種正應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象稱為剪切滯后。影響凈截面效率的還有一些其他因素，如材料的塑性、制孔的方法和緊固件的排列等.強(qiáng)度高而塑性低的材料,凈截面效率比式的低。采用沖成的栓孔,也會(huì)使降低，需要在的基礎(chǔ)上乘以0。85。緊固件排列的影響主要體現(xiàn)在行距g和孔距d的比值。行距大者效率較低。綜上所述，在按凈截面拉斷設(shè)計(jì)拉桿時(shí),不僅要用凈截面進(jìn)行計(jì)算，還要注意凈截面是否全部有效,并引進(jìn)必要的系數(shù)。無孔拉桿雖然不以凈截面拉斷作為極限狀態(tài),但在截面僅部分直接連接的情況下，端部仍然存在剪切滯后現(xiàn)象.【角鋼拉桿】內(nèi)力不大的拉桿，常用角鋼來做。其中最簡單的是單角鋼拉桿。這種拉桿可以貼于節(jié)點(diǎn)板的一側(cè)，構(gòu)造簡單,但連接有偏心作用；也可以對稱于節(jié)點(diǎn)板放置,其連接沒有偏心，但需要在桿端開槽或節(jié)點(diǎn)板上開槽，才能插入。雙角鋼拉桿是角鋼拉桿中最常見的形式。兩根角鋼或是共同連于一塊節(jié)點(diǎn)板，或是分別連于兩塊節(jié)點(diǎn)板。后一情況，兩角鋼應(yīng)該用綴材加以聯(lián)系。一、單角鋼拉桿貼于節(jié)點(diǎn)板一側(cè)的單角鋼拉桿構(gòu)造簡單,但受力情況卻比較復(fù)雜.由于只有一個(gè)肢和節(jié)點(diǎn)板連接，節(jié)點(diǎn)板傳來的力不經(jīng)過截面形心，角鋼偏心受拉，并且繞截面兩主軸都有彎矩。在彈性范圍內(nèi)截面任一點(diǎn)的應(yīng)力,其中，為對xy軸的慣性積,.通常拉力N作用在節(jié)點(diǎn)板的中平面內(nèi)，即距離角鋼背ab半個(gè)節(jié)點(diǎn)板厚度。N位于角鋼肢寬一半處時(shí)截面上最大應(yīng)力的絕對值最小,受力情況最有利。這就是說，角鋼肢尖和肢背的連接焊縫宜各取需要焊縫總量的一半，而不是像雙角鋼拉桿那樣按0。3和0。7分配。單角鋼拉桿在偏心受力的狀態(tài)下，如果桿端連接有足夠強(qiáng)度，桿件最后將在連接焊縫端部拉斷。拉斷前雖然截面能夠完全屈服，但終因彎矩存在而使完全屈服的拉力和極限拉力都稍低于軸心壓桿。我國輕型鋼結(jié)構(gòu)小組完成的試驗(yàn)表明，單肢連接的單角鋼拉桿的極限拉力和軸心拉力的相差不很懸殊，一般都能達(dá)到軸心拉桿承載能力的80%以上，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可以當(dāng)作軸心拉桿計(jì)算，不過要把構(gòu)件及其連接的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0。85。GB50017規(guī)范就是這樣規(guī)定的。二、雙角鋼拉桿為了防止綴板受壓屈曲，雙角鋼拉桿必須有足夠的厚度，同時(shí)綴板應(yīng)盡量靠近桿端，以保證節(jié)點(diǎn)連接的良好性能.三、桁架單角鋼腹桿的布置單角鋼經(jīng)常用作輕型桁架的腹桿。T形鋼作為弦桿的輕型桁架的兩種不同的腹桿布置：一種是腹桿連在弦桿的同側(cè),另一種則在兩側(cè)交替布置.在兩側(cè)交替布置，腹桿軸線在桁架平面內(nèi)可以匯交于弦桿軸線,不對后者造成偏心受力，似乎是可取的。在桁架平面外的偏心力矩只能由腹桿承擔(dān),因?yàn)橄覘U的抗扭剛度很小。因此腹桿在弦桿兩側(cè)交替布置時(shí)，腹桿的彎曲應(yīng)力要比同側(cè)布置大很多?！韭菁y拉桿】用圓鋼做成的拉桿,當(dāng)長度較大時(shí)，很容易因自重而下垂。如果桿端部有螺紋，或中部設(shè)置花籃螺栓,使通過扭緊螺帽而產(chǎn)生一點(diǎn)預(yù)拉力，就能防止下垂。有效截面積在凈截面積和毛截面積之間，可以按下式計(jì)算:，式中，D為螺桿公稱直徑;p為螺距；k為系數(shù)，對公制粗牙螺紋可取0.9382。上式相對于有效直徑為。第六章軸心壓桿【軸心壓桿的極限狀態(tài)】一、軸心壓桿的失穩(wěn)形式軸心壓桿承載能力的極限狀態(tài)是喪失穩(wěn)定，完善彈性直桿失穩(wěn)的臨界力，可由歐拉公式得出，歐拉公式給出的臨界力，是桿件能夠繼續(xù)保持直線平衡形式的極限荷載,達(dá)到這一荷載后桿件就發(fā)生彎曲變形。喪失直線形式的平衡并不一定是由直變彎，也可能由直變扭，即呈扭轉(zhuǎn)屈曲。根據(jù)彈性穩(wěn)定理論,兩端鉸支且翹曲無約束的桿，當(dāng)截面為雙軸對稱或極對稱時(shí),扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界力,其中，是桿自由扭轉(zhuǎn)剛度；是桿約束扭轉(zhuǎn)剛度;是截面關(guān)于剪心的極回轉(zhuǎn)半徑。一根具體的軸心壓桿,達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)時(shí)究竟呈彎曲屈曲還是扭轉(zhuǎn)屈曲，要看它的材料和截面特征、、以及長度的大小。除了彎曲屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲外，軸心壓桿還有另外一種可能的失穩(wěn)形式，即彎曲和扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生的彎扭屈曲。對兩端鉸支且翹曲無約束的彈性桿,彎扭屈曲臨界力,即.其中，為按歐拉公式計(jì)算的繞y軸彎曲屈曲的臨界力；為扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力；為剪心坐標(biāo)。當(dāng)截面繞對稱軸彎曲剛度較小,扭轉(zhuǎn)剛度也不大時(shí)，彎扭屈曲成為這種桿件承載能力的極限狀態(tài)。用作軸心壓桿的單軸對稱截面,常見的有T形截面，可以是軋制的、焊接的或由H型鋼一分為二切成的。這種截面用作桁架弦桿構(gòu)造方便，可以省去節(jié)點(diǎn)板。雙角鋼組合而成的T行截面也是桁架常見的截面。單角鋼不僅用于輕型桁架的腹桿，而且大量用于塔架。軸心壓桿采用沒有對稱軸的截面，繞兩主軸彎曲都會(huì)伴隨有扭轉(zhuǎn),使臨界荷載總是低于彎曲屈曲臨界力，也低于扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力。不等邊的單角鋼就屬于這種情況.設(shè)計(jì)單角鋼軸心壓桿，應(yīng)注意，除了垂直于對稱軸的主軸x外，繞其他軸彎曲都會(huì)受到扭轉(zhuǎn)的影響。據(jù)電力建設(shè)研究所的試驗(yàn)資料,臨界力因扭轉(zhuǎn)而降低的相當(dāng)于計(jì)算長度增大10%～20％.二、缺陷的影響軸心壓桿三種不同失穩(wěn)形式的臨界力。三種不同失穩(wěn)形式針對完全彈性的材料和完善而無缺陷的桿推得的,還不能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算.現(xiàn)實(shí)的鋼壓桿是用彈性材料制成的，它既有幾何缺陷又有力學(xué)缺陷。幾何缺陷主要是桿件并非直桿，或多或少有一點(diǎn)初始彎曲，也可能有一點(diǎn)初始扭曲.另外，截面并非完全對稱，從而形成初始偏心.力學(xué)缺陷包括屈服點(diǎn)在整個(gè)截面上并非均勻以及殘留應(yīng)力.對壓桿性能影響最大的是初始彎曲和殘余應(yīng)力。初始偏心的影響和初始彎曲大體相同,常和殘余應(yīng)力并在一起考慮.初彎曲的存在使軸心壓桿喪失穩(wěn)定的性質(zhì)發(fā)生了改變。直桿在荷載達(dá)到臨界力時(shí)失穩(wěn)，屬于平衡分岔問題，在彈性范圍內(nèi)。隨著荷載和撓度的增大，部分截面進(jìn)入塑性，桿件的剛度逐漸降低。初始扭曲使桿件受壓收產(chǎn)生扭矩和剪應(yīng)力.剪應(yīng)力和壓應(yīng)力相配合,使桿件提前屈服,從而影響桿件承載力。殘余應(yīng)力在壓桿截面上的分布變化多端，它既和軋制后的冷卻、焰割、焊接等過程有關(guān)，也和材料厚度和截面組成形式有關(guān)。同一型式但尺寸不同的截面，殘余應(yīng)力分布還會(huì)有不小的差別。軋制型鋼殘余應(yīng)力的絕對值不受其屈服點(diǎn)的影響。因此，隨著材料屈服點(diǎn)提高，殘余應(yīng)力的影響相對降低。相對厚度大者殘余應(yīng)力大。焊接截面在焊縫處一般都有高達(dá)材料屈服點(diǎn)的殘余拉應(yīng)力。厚板焊成的截面殘余應(yīng)力不僅高于薄板焊接截面，而且還有沿板厚變化的特點(diǎn)。殘余應(yīng)力對壓桿性能的影響程度，主要取決于殘余壓應(yīng)力的大小，它的變化情況、分布寬度以及在截面上占據(jù)的部位。原因是殘余壓應(yīng)力使壓桿的一部分提前屈服，從而削弱桿件的剛度。殘余應(yīng)力不僅對不同截面形式和不同生產(chǎn)條件的壓桿穩(wěn)定承載能力影響不同，對同一桿件的不同屈曲軸影響也不相同。對有殘余應(yīng)力的桿，如果經(jīng)退火處理使殘余應(yīng)力基本消失，則受壓承載力可以由較大提高。在實(shí)際工程中,對構(gòu)件進(jìn)行退火難于做到。因此，企圖消除殘余應(yīng)力是不現(xiàn)實(shí)的。不過，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和工藝措施，可得到比較有利的殘余應(yīng)力分布。如翼緣加焊了蓋板,翼緣不加蓋板而僅在其邊緣堆焊焊珠。對現(xiàn)有的壓桿如果荷載比原設(shè)計(jì)值增大,就可以采用這兩種辦法來加固,但加固施焊時(shí)可能需要用其他方法承受此桿的荷載。【軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算】一、曲線的確定軸心壓桿不致因彎曲屈曲而喪失承載能力的計(jì)算公式是,式中，是軸心受壓穩(wěn)定系數(shù).如何具體考慮幾何缺陷和力學(xué)缺陷的影響來確定系數(shù)，有兩種方法。第一種方法是采用切線模量理論，按殘余應(yīng)力的分布決定，初始彎曲的不利作用在安全系數(shù)范圍內(nèi)考慮。第二種方法是采用極限承載能力理論，同時(shí)計(jì)入初始彎曲和殘余應(yīng)力的效應(yīng)。由于初始彎曲在實(shí)際構(gòu)件中不可能完全避免，鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范又對初始彎曲的矢高有所限制，在確定值時(shí)具體計(jì)入初始彎曲的效應(yīng)比較合理。目前使用最多的是極限承載力理論。曲線的特點(diǎn)是盡量以統(tǒng)計(jì)和概率原理作為依據(jù)，并且理論分析和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合.在理論計(jì)算中,所有幾何缺陷、屈服應(yīng)力和殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)，都由試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析得來。為了使用方便，曲線還應(yīng)該用比較簡便的公式來表達(dá)公式采用Perry型式可以得到和曲線很接近的結(jié)果，即。對于歐鋼協(xié)的a、b、c三條曲線,分別取0.206、0.339、0.489。我國為了采取多條柱曲線,做了大量的計(jì)算分析和一部分實(shí)驗(yàn)。結(jié)合我國的應(yīng)用情況，重點(diǎn)放在焊接H型鋼和雙角鋼組合截面上。其他截面如普通工字鋼、T型鋼和鋼管等也做了分析，隨后歸納為三條曲線。和歐鋼協(xié)的曲線不同的是沒有從0~0。2時(shí)的水平段。常用的雙角鋼T形截面、焰割邊的焊接工字形截面以及格構(gòu)式截面都?xì)wb曲線.因此b曲線將是設(shè)計(jì)中用得最多的曲線。剛層建筑鋼結(jié)構(gòu)的柱子無論是H形還是箱型截面,板件厚度經(jīng)常在40mm以上，有時(shí)甚至超過100mm.當(dāng)板厚超過40mm時(shí)穩(wěn)定系數(shù)低于c曲線，即d曲線.箱形截面的穩(wěn)定系數(shù)可以用c或b曲線。二、扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲計(jì)算用公式和計(jì)算扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力和彎扭屈曲臨界力，只能用于彈性范圍，且沒有計(jì)入幾何缺陷和力學(xué)缺陷的不利效應(yīng)。對有初始扭曲和殘余應(yīng)力的十字形截面軸心壓桿的扭轉(zhuǎn)屈曲進(jìn)行研究后,得出兩種缺陷都不可忽視。彎扭屈曲比扭轉(zhuǎn)屈曲更復(fù)雜，目前通行計(jì)算彎扭屈曲的方法是先把問題按彈性條件轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲，然后按彎曲屈曲來考慮非彈性和缺陷影響.歐鋼協(xié)規(guī)定計(jì)算彎扭屈曲的公式作為通用長細(xì)比，計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，然后進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算。其中，，如果把這個(gè)彎扭屈曲應(yīng)力看成是一根長細(xì)比為的桿的彎曲屈曲臨界力，則，是把彎扭屈曲轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲的換算長細(xì)比.在GB50017規(guī)范中換算長細(xì)比的符號(hào)是，計(jì)算公式是，其中e0為截面形心至剪心的距離；i0為截面對剪心的極回轉(zhuǎn)半徑;為構(gòu)件對對稱軸的長細(xì)比；為扭轉(zhuǎn)屈曲的換算長細(xì)比，；為扭轉(zhuǎn)屈曲的計(jì)算長度.把彎扭屈曲作為彎曲屈曲對待的缺點(diǎn),有些情況下設(shè)計(jì)出的構(gòu)件偏于不安全，同時(shí)彎扭屈曲的概念受到淡化，容易被設(shè)計(jì)人員所忽視。開口冷彎薄壁型鋼截面，因壁薄而抗扭性能低。當(dāng)為單軸對稱時(shí)，在軸心壓力作用下，繞對稱軸彎扭屈曲的問題特別突出.我國采用的方法也是通過換算長細(xì)比轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲的辦法。換算長細(xì)比的公式是(以x軸代表對稱軸），式中，為剪心至形心的距離；，，為和端部約束條件有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)開口截面桿件兩端鉸支且端截面自由翹曲時(shí)，=1。0;兩端鉸支而端截面翹曲完全受到約束時(shí),0。72,0。5.軸心壓桿的扭轉(zhuǎn)屈曲，一般設(shè)計(jì)規(guī)范都沒有計(jì)算規(guī)定。十字形截面的桿雖然有可能在彎曲屈曲之前發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲，但是只要注意了板件局部穩(wěn)定的要求，就不會(huì)有扭轉(zhuǎn)屈曲的危險(xiǎn)。原因是扭轉(zhuǎn)屈曲和局部屈曲都是以繞形心縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)為特征。截面用于軸心受壓時(shí)，扭轉(zhuǎn)屈曲不能等同于局部屈曲。一般說來,對板件寬厚比大而翼緣又窄者應(yīng)多加注意。設(shè)計(jì)中需要計(jì)算時(shí),可以像計(jì)算彎扭屈曲那樣通過換算長細(xì)比轉(zhuǎn)化為彎曲屈曲問題。T形截面壓桿還有兩個(gè)特征值得關(guān)注。其一是板件局部屈曲和桿件整體屈曲的關(guān)系。由于板件間的相關(guān)作用，腹板和翼緣同時(shí)屈曲，其夾角保持直角.這種局部屈曲的變形模式恰好和桿件繞剪心整體扭轉(zhuǎn)屈曲一致.它們的臨界應(yīng)力必然相同。第二個(gè)特征是當(dāng)T形截面桿沿剪心縱軸承受壓力時(shí)，繞y軸屈曲時(shí)只彎而不扭，相應(yīng)的承載能力高于荷載作用在截面形心的情況。GB50017規(guī)范對T形截面腹板寬厚比的限值（用于熱軋剖分T形鋼）和（用于焊接T形鋼)就是針對這種情況制定的?！緣簵U的計(jì)算長度】一、桿端約束從彎曲邊界條件來說，或?yàn)橥耆D(zhuǎn)動(dòng)的鉸，或?yàn)榻^對不能轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性嵌固。實(shí)際構(gòu)件端部的構(gòu)造情況既不可能沒有一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束，也不可能絲毫不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在柱下端焊上一塊底板，沿柱的強(qiáng)軸用兩個(gè)錨栓把底板固定于基礎(chǔ)，實(shí)際上是對柱下端有相當(dāng)大的轉(zhuǎn)動(dòng)約束作用，它的性能更接近于嵌固.實(shí)驗(yàn)表明，上端簡支，下端焊接的壓桿承受的極限荷載比上端簡支,下端嵌固的桿計(jì)算臨界力大一些；比兩端鉸支的桿更大。對焊接柱腳在不同壓力作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度做出測定，并提出了考慮柱腳約束作用的具體建議。柱上端為不動(dòng)鉸時(shí)，可采用下列計(jì)算長度系數(shù)：H形截面繞弱軸屈曲=0。82，H形截面繞強(qiáng)軸屈曲=0。90,這兩個(gè)系數(shù)分別對應(yīng)于柱底約束系數(shù)=0。5和1。5。梁對柱的約束作用首先需要確定梁柱連接處彎矩M和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，從而找出連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。這一剛度顯然和連接構(gòu)造方式有直接關(guān)系。其中，用兩端T形鋼連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度最好，可認(rèn)為是剛性連接；用端板的法蘭盤式連接的剛度次之；梁上下翼緣用角鋼或角鋼和鋼板連接剛度再次之，可認(rèn)為是半剛性的；僅把梁腹板用單角鋼、雙角鋼或端板連接的，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度很小,屬于柔性連接。確定桿端的轉(zhuǎn)動(dòng)特性后，就可以對約束的桿做穩(wěn)定計(jì)算分析，分析時(shí)考慮初始彎曲和殘余應(yīng)力的影響.陳慧發(fā)等提出一個(gè)系數(shù)的計(jì)算公式，式中為端部約束系數(shù)，為轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。是有軸力作用時(shí)的塑性鉸彎矩。以上是按梁無限剛性進(jìn)行計(jì)算的。實(shí)際上梁會(huì)有變形，應(yīng)予以考慮.則轉(zhuǎn)動(dòng)剛度應(yīng)該為，簡化式即，其中,為慣性矩,為長度.。根據(jù)以上兩個(gè)公式，陳慧發(fā)建議設(shè)計(jì)時(shí)系數(shù)，當(dāng)時(shí)，；，柱繞強(qiáng)軸彎曲，柱繞弱軸彎曲.以上確定計(jì)算長度系數(shù)的方法和傳統(tǒng)的按彈性的完善直桿的計(jì)算不同。這里不僅聯(lián)系構(gòu)造的實(shí)際情況考慮了桿端約束的作用,而且計(jì)入了幾何缺陷和力學(xué)缺陷的影響。并把計(jì)算長度推廣到了彈塑性桿的范圍。二、桁架和塔架桿件計(jì)算長度桁架到達(dá)極限狀態(tài)或者是因拉桿屈服，或者是因壓桿屈曲.實(shí)用的設(shè)計(jì)方法并不采用桁架穩(wěn)定整體分析方法，而是簡化為逐個(gè)壓桿的穩(wěn)定承載力計(jì)算。在計(jì)算時(shí)考慮其他桿件的約束效應(yīng)，由桿件計(jì)算長度來體現(xiàn)。1、桁架平面內(nèi)的計(jì)算長度在分析鋼桁架的桿件內(nèi)力時(shí),經(jīng)常假定桿件在節(jié)點(diǎn)上鉸接.這樣算得各桿的軸向內(nèi)力和實(shí)際情況出入不大。但是，鋼桁架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，無論是鉚接或焊接，實(shí)際上都接近剛節(jié)點(diǎn)，同一節(jié)點(diǎn)上各桿之間的夾角在桁架變形過程中保持不變。由于節(jié)點(diǎn)的剛性，各桿不僅承受軸力，也會(huì)出現(xiàn)彎曲。這種彎曲屬于二階效應(yīng)性質(zhì)，習(xí)慣上稱為次彎曲或次應(yīng)力，它的大小和桿件抗彎剛度有直接關(guān)系。桿件愈剛勁,彎矩愈大。研究表明，除桿件短而粗的桁架外，設(shè)計(jì)時(shí)一般可以不考慮次彎矩的效應(yīng)，因?yàn)椴牧暇哂泻芎玫乃苄?；另一方面，?jié)點(diǎn)剛性對壓桿屈服起有利影響，即造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的整體性，使最危險(xiǎn)的壓桿受到相鄰桿的約束作用。桁架在均勻荷載作用下，上弦各節(jié)點(diǎn)內(nèi)力不同。如果內(nèi)力不同的上弦桿各按自身的內(nèi)力選定截面，同時(shí)腹桿因截面小而剛度弱，它對弦桿的約束作用可以忽略，則這些弦桿將在同一荷載作用下同時(shí)屈曲，相互不起約束作用。但是，對跨度不大的桁架，為了簡化制造，通常都不變化弦桿截面。根據(jù)按穩(wěn)定理論分析的結(jié)果提出下列計(jì)算長度系數(shù)，式中n是上弦節(jié)間數(shù).在節(jié)間數(shù)目不多時(shí),約束效應(yīng)比較顯著,原因是節(jié)間數(shù)少，則相鄰節(jié)間內(nèi)力相差比較懸殊,約束效應(yīng)就大.實(shí)際上腹桿也會(huì)起一些約束作用，計(jì)算長度系數(shù)還會(huì)比弦桿低一些。目前我國設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定受壓弦桿的計(jì)算長度取其幾何長度，即，沒有利用其他弦桿的約束作用.受壓腹桿所處的情況比受壓弦桿有利。腹桿下端連于受拉下弦，而下弦的截面和剛度常比腹桿為大,約束作用較強(qiáng).弦桿的線剛度和腹桿的線剛度比愈大，則約束作用愈大。我國設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定腹桿計(jì)算長度系數(shù)。如果考慮相鄰腹桿也起約束作用，值還可以降低一些。當(dāng)相連桿件較少,我國規(guī)范規(guī)定不計(jì)約束影響，取。當(dāng)腹桿體系為交叉斜桿時(shí)受下弦桿約束影響不大,計(jì)算長度比幾何長度減小不多，故取幾何長度。如果考慮相交拉桿在節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，則當(dāng)兩斜桿的拉、壓力絕對值相等時(shí)，壓桿的計(jì)算長度等于其幾何長度的0.8倍.如果再計(jì)及下弦桿在端點(diǎn)的約束作用，則計(jì)算長度進(jìn)一步減少。如果弦桿截面變化，端部受壓腹桿來自相鄰弦桿的約束就要減弱。如果腹桿截面變化，則中部腹桿的約束條件和桁架的荷載性質(zhì)有關(guān)：只承受靜荷載時(shí)，腹桿和弦桿同時(shí)達(dá)到最大內(nèi)力，弦桿對腹桿絲毫沒有約束作用；當(dāng)荷載以行動(dòng)荷載為主時(shí)，腹桿內(nèi)力最大時(shí)弦桿內(nèi)力較低，則受壓弦桿和受拉弦桿都對腹桿起不同程度的約束作用。腹桿截面變化，中部腹桿截面減小，對中部受壓最大的弦桿不利。此外，不同構(gòu)造方式的節(jié)點(diǎn)是否都可看成完全剛性以及節(jié)點(diǎn)連接在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的性能，也還需要做不少研究工作。近年對桁架極限承載能力分析提出了一種分析方法,即對桁架作整體考察，計(jì)及節(jié)點(diǎn)剛性，并允許在一部分桿端出現(xiàn)塑性鉸，直至某一桿屈曲或桁架變形過大而不能繼續(xù)承載，才達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)。2、桁架平面外的計(jì)算長度弦桿在平面外的計(jì)算長度取決于支撐布置情況,即等于側(cè)向支撐點(diǎn)的間距。和受壓弦桿的桁架平面內(nèi)的計(jì)算長度一樣,不考慮節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。節(jié)點(diǎn)板垂直于桁架平面方向的抗彎剛度很小，分析腹桿在桁架平面外的計(jì)算長度時(shí)都認(rèn)為兩端鉸接,計(jì)算長度即等于幾何長度。前提是節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)垂直于桁架平面的位移，這或者是由于節(jié)點(diǎn)處連有支撐，或者是弦桿有足夠的剛度。為此需要對受拉弦桿所能提供的剛度進(jìn)行考察并提出有關(guān)的準(zhǔn)則.受拉弦桿的剛度既和它的截面積及所受拉力有關(guān)，也和縱向支撐體系布置有關(guān)，縱向支撐桿在弦桿側(cè)向彎曲時(shí)起不動(dòng)支座的作用。如果它的間距過大，受拉弦桿就可能剛度不足。一般情況下，桁架端部受拉弦桿的側(cè)向無支長度不宜超過節(jié)間長度的2~3倍.比較復(fù)雜的問題是交叉腹桿體系中壓桿的計(jì)算長度.交叉腹桿在構(gòu)造上有兩種做法：一種是兩桿在交叉節(jié)點(diǎn)處都是連續(xù)的;另一種是一桿連續(xù)，另一桿斷開用節(jié)點(diǎn)板相連。當(dāng)桿件構(gòu)造上是兩桿連續(xù)的，則需要區(qū)分桿件受拉、受壓和不受力三種不同情況分析。當(dāng)桿件受拉時(shí)，彈性支座的剛度很大,一般情況是連續(xù)的兩桿幾何尺寸、拉力、壓力大小都相同,即計(jì)算長度系數(shù)=0.5；當(dāng)桿件不受力時(shí),彈簧剛度只和桿的截面慣性矩及長度有關(guān)，當(dāng)兩桿截面、長度都相同時(shí)，計(jì)算長度系數(shù)=0.714；當(dāng)桿件受壓力時(shí)，其彈簧剛度進(jìn)一步降低。如果兩桿件尺寸和內(nèi)力相同,則兩者同時(shí)屈曲，相互之間完全沒有約束,計(jì)算長度系數(shù)=1，這種情況下，交叉點(diǎn)相互連接雖然沒有起到減小計(jì)算長度的作用，但卻使桿件在全長范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)受到阻礙,習(xí)慣上都按繞平行于角鋼邊的彎曲屈曲計(jì)算穩(wěn)定。還有一種情況,就是用板相連接的桿受壓而連續(xù)桿受拉.這種桿有兩種可能的失穩(wěn)形式:當(dāng)彈簧剛度強(qiáng)而桿剛度弱時(shí)，彈簧支座不動(dòng)而桿彎曲屈曲；反之當(dāng)彈簧剛度較弱時(shí)，則彈簧拉開而屈曲。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該要求彈簧有足夠的剛度。以上所述主要是應(yīng)用彈性穩(wěn)定理論進(jìn)行分析,反映了結(jié)構(gòu)正常工作階段的情況，而對工程設(shè)計(jì)來說,更重要的是到達(dá)極限荷載時(shí)構(gòu)件的性能。試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)兩桿尺寸和材料都相同時(shí),拉桿可以對壓桿起不動(dòng)鉸支座作用。計(jì)算長度取為，在彈性和非彈性范圍都適用.試驗(yàn)還證明，當(dāng)荷載加大到使壓桿屈曲之后,還可以繼續(xù)增大。雖因屈曲而承載力下降，但拉桿承載力增加的更快了.由此可見，按彈性穩(wěn)定理論分析得到的結(jié)論,在交叉斜桿計(jì)算長度問題上有普遍適用性.3、塔架桿件的計(jì)算長度塔架屬于空間桁架，它的類型很多，這里分析的是輸電塔一類用角鋼組成的四邊形塔架。塔架桿件常用單角鋼做成，其四根主桿的兩肢都和腹桿相連，可當(dāng)作軸心受壓計(jì)算。腹桿僅用一個(gè)肢和主桿相連,構(gòu)造使之偏心受力。設(shè)計(jì)時(shí)可以把這一類偏心壓桿簡化為軸心壓桿去計(jì)算，計(jì)算時(shí)或是降低材料抗力,或是放大桿件的計(jì)算長度，以計(jì)入偏心的效應(yīng)。塔架主桿的計(jì)算長度，隨腹桿體系的布置而有所不同。在主桿每一節(jié)點(diǎn)處,兩個(gè)面內(nèi)都有腹桿相連時(shí)，計(jì)算長度取兩相鄰節(jié)點(diǎn)的間距L,在計(jì)算它的長細(xì)比時(shí)應(yīng)取截面的最小回轉(zhuǎn)半徑ix。當(dāng)并非在每一節(jié)點(diǎn)處兩個(gè)面內(nèi)都有腹桿時(shí),分兩種情況：每隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)為兩個(gè)面的共同節(jié)點(diǎn)，主桿的計(jì)算長度即取這類節(jié)點(diǎn)的間距，相應(yīng)回轉(zhuǎn)半徑為平行于肢邊軸的回轉(zhuǎn)半徑ix1；對腹桿體系，兩個(gè)相鄰面完全沒有共同節(jié)點(diǎn)，此時(shí)計(jì)算長度可取為1。2L，回轉(zhuǎn)半徑也按平行軸來取。兩種情況長細(xì)比取是從主桿各節(jié)間長度相同、內(nèi)力也不變化出發(fā)的。如果節(jié)間長度和內(nèi)力有變化，按長而內(nèi)力大的節(jié)間進(jìn)行計(jì)算顯然是偏于安全的。當(dāng)長度或內(nèi)力相差比較懸殊，可以考慮相鄰節(jié)間的相互約束,從而找出計(jì)算長度系數(shù)。當(dāng)長細(xì)比取為時(shí)，并未計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，偏于不安全。建議把主桿計(jì)算長度取為，式中,b和t分別是主桿角鋼的寬度和厚度。GB50017把上式的系數(shù)簡化為,適用于，當(dāng)時(shí).塔架腹桿的處境和桁架腹桿有一點(diǎn)不同，這就是:桁架腹桿有一端和受拉弦桿相連，從而在該端得轉(zhuǎn)動(dòng)受到約束;塔架腹桿則有可能兩端所連的主桿都受壓。因此，塔架腹桿一般不考慮弦桿的約束作用，對于單系腹桿，計(jì)算長度即為幾何長度。對于交叉腹桿，當(dāng)兩桿一拉一壓且絕對值相等或很接近時(shí)，相交點(diǎn)無論在面內(nèi)和面外都可以起支點(diǎn)作用。當(dāng)塔架腹桿體系有再分桿時(shí)，再分桿能否減小斜腹桿的計(jì)算長度，首先要看是否形成了幾何不可變體系。計(jì)算長度究竟減小到什么程度還要看相鄰面桿件的受力情況.如果相鄰面桿件和該面桿件承受同樣大小的壓力，則相互之間沒有支援作用，該面桿件的計(jì)算長度還是不能減小。只有相鄰面桿件受拉或承受較小壓力，該面桿件的計(jì)算長度才能減小。當(dāng)兩面桿件的截面和長度都相同時(shí)，計(jì)算長度系數(shù)可由下式算得:,式中和分別為計(jì)算桿和被依靠桿的內(nèi)力,壓力取正,拉力取負(fù)。當(dāng)時(shí),，計(jì)算長度不能減小.當(dāng)時(shí)。交叉桿中有一桿斷開用節(jié)點(diǎn)板相連，有損于桿的彈簧剛度。塔架交叉腹桿節(jié)點(diǎn)處有水平桿時(shí)，連接構(gòu)造有兩種做法，即斜桿不連續(xù)或水平桿不連續(xù)。構(gòu)造方式不同，斜桿抗壓承載能力就有差別。斜桿連續(xù)的做法比不連續(xù)者承載能力提高40％。4、有支撐柱的計(jì)算長度當(dāng)I形截面柱繞兩個(gè)主軸的慣性矩相差懸殊時(shí),適當(dāng)減小繞弱軸屈曲的計(jì)算長度可以充分利用材料的性能。當(dāng)支撐系統(tǒng)的節(jié)間長度相同，且柱腳為鉸接時(shí)，柱段繞弱軸屈曲時(shí)的計(jì)算長度即為節(jié)間長度.但是，當(dāng)節(jié)間長度不等時(shí)，柱段之間有相互約束作用。不考慮這種約束作用，以較大的節(jié)間長度為計(jì)算長度，將多用鋼材.兩節(jié)柱間情況。由彈性穩(wěn)定理論得出的計(jì)算公式是，式中：k為短節(jié)間與長節(jié)間之比k=a/l;為參數(shù)，,EI為柱在支撐平面內(nèi)的彎曲剛度，解出后可得柱計(jì)算長度。簡化公式。此式適用于的范圍內(nèi),誤差小。三節(jié)柱間情況.其中第一和第三節(jié)間長度相等，計(jì)算長度系數(shù)的簡化計(jì)算公式分別為:第一和第三節(jié)長于第二節(jié)時(shí),；第一和第三節(jié)短于第二節(jié)時(shí)，，兩式適用于的范圍內(nèi)，k=a/l。三、扭轉(zhuǎn)邊界條件和計(jì)算長度扭轉(zhuǎn)邊界條件由桿端的扭角及其對桿軸線的導(dǎo)數(shù)來表達(dá)。設(shè)為桿端扭角，則：簡支端，截面不能扭轉(zhuǎn)，但可自由翹曲;固定端，截面不能扭轉(zhuǎn)，也不能翹曲；自由端，截面自由翹曲，且扭矩為零。桿件具有何種邊界條件由構(gòu)造方式?jīng)Q定。桿件扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力公式適用于邊界條件。更普遍的公式應(yīng)是,式中，時(shí)扭轉(zhuǎn)屈曲的計(jì)算長度.當(dāng)兩端簡支時(shí),=1。0；當(dāng)兩端嵌固時(shí)，=0。5；當(dāng)一端簡支，另一端嵌固時(shí)可取=0.7。桿件彎扭屈曲的臨界力計(jì)算時(shí)由上式?jīng)Q定，也應(yīng)考慮它的計(jì)算長度系數(shù)，即。計(jì)算長度系數(shù)的精確值和扭轉(zhuǎn)邊界條件也有關(guān)系。在設(shè)計(jì)工作中可以按彎曲屈曲時(shí)的數(shù)值取用，即兩端鉸支時(shí)=1.0，兩端嵌固時(shí)=0。5，一端鉸支、另一端嵌固時(shí)=0.7?！靖駱?gòu)式壓桿】一、剪力對格構(gòu)柱穩(wěn)定的影響對格構(gòu)式壓桿計(jì)算繞虛軸的穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮剪力的影響,原因是相應(yīng)的抗剪剛度比較弱。彈性桿考慮剪力影響時(shí)的臨界力計(jì)算公式是，式中，時(shí)桿件作為實(shí)腹柱看待時(shí)的歐拉臨界力；S是綴材體系的抗剪剛度，即產(chǎn)生單位剪切角所需的剪力。對于綴條柱,假定綴條和柱肢鉸接，在僅有斜綴條以及兼有橫綴條而略去其影響時(shí)，，式中，為兩個(gè)平行面中斜綴條面積之和;為斜綴條和桿軸線夾角。對于綴板柱，在綴板寬度并和柱肢鋼接的條件下，式中，為柱肢對其自身形心軸的慣矩；為一塊綴板的慣矩。近似地采用。我國對于格構(gòu)式壓桿繞虛軸穩(wěn)定性的計(jì)算采用換算長細(xì)比的辦法，即把格構(gòu)式壓桿換算成臨界力相同的實(shí)腹式壓桿。換算長細(xì)比。對綴條式壓桿，我國設(shè)計(jì)規(guī)范簡化成，此值一般在1。0~1。1之間，適用于在40～70°之間。進(jìn)一步簡化，當(dāng)時(shí),；當(dāng)時(shí)，.對綴板柱，式中，為單肢的長細(xì)比。以上計(jì)算都是針對兩個(gè)平行面用綴材相連的雙肢柱.因此,剪力的影響和雙肢柱沒有區(qū)別.但是，考慮到四肢柱缺陷影響較大,規(guī)范對四肢綴條柱把系數(shù)27放大到40，而綴板柱則按剛度最小的主慣性軸計(jì)算。格構(gòu)式壓桿繞虛軸失穩(wěn)的換算長細(xì)比算得以后,即作為實(shí)腹桿看待，由查得系數(shù),然后計(jì)算。換算長細(xì)比法是一個(gè)比較粗糙的辦法。更細(xì)致的辦法應(yīng)該是按格構(gòu)式壓桿的特點(diǎn)來考慮缺陷的影響。一個(gè)很重要的特點(diǎn)是，幾何缺陷使格構(gòu)式壓桿雙肢受力不同.二、單肢驗(yàn)算1、桿中計(jì)算跨中最大彎矩為：；受力最大單肢的軸力：對理想綴條式壓桿來說,只要單肢長細(xì)比不超過整體長細(xì)比，單肢就不必去計(jì)算。為簡化起見，缺陷只考慮初始彎曲一種形式，而把其他因素包括在內(nèi)。在計(jì)算彎矩產(chǎn)生的單肢內(nèi)力時(shí)把桿件當(dāng)作實(shí)腹桿一樣對待,取，式中,為單肢截面積；I為整個(gè)截面積對y軸的慣性矩?？紤]到單肢達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)可能部分截面已經(jīng)屈服,又不宜完全計(jì)入，因此可取，為小于或等于1的系數(shù)，歐鋼協(xié)規(guī)定時(shí)，=1；時(shí)，；時(shí),=0.和實(shí)腹構(gòu)件不同，格構(gòu)式壓桿單肢和整體之間存在復(fù)雜的相關(guān)作用，以致長細(xì)的構(gòu)件會(huì)在不大的荷載作用下出現(xiàn)塑性變形。2、桿端計(jì)算綴條式壓桿假定節(jié)點(diǎn)都是鉸接，則剪力Q只對綴條產(chǎn)生軸力作用。綴板式壓桿的綴板和柱肢剛接，形成高次超靜定的構(gòu)件。計(jì)算時(shí)假定彎點(diǎn)在柱肢各節(jié)間中央和綴板中央，即可簡化為靜定體系,柱肢軸力N1=N/2和柱肢在節(jié)點(diǎn)處彎矩M1=Qa/4,計(jì)算表明，這種簡化是偏于安全的。選擇或驗(yàn)算柱肢截面,要求在N1和M1共同作用下不出現(xiàn)塑性鉸。對于常用的槽鋼單肢，歐鋼協(xié)建議由下式計(jì)算有軸力N1時(shí)的塑性鉸彎矩：，式中和分別為僅有軸力和僅有彎矩時(shí)的屈曲壓力和塑性鉸彎矩。我國采用換算長細(xì)比的計(jì)算方法，在具體考慮幾何缺陷影響方面有所不足，但可以根據(jù)對單肢承載力分析的結(jié)果提出它的長細(xì)比限制。限值和桿件長細(xì)比相聯(lián)系起來,彌補(bǔ)不了上述不足。根據(jù)計(jì)算分析，具體的限值可取為：綴條式軸心壓桿，；綴板式軸心壓桿，，在以上兩式中，為桿件最大長細(xì)比，當(dāng)<50時(shí)按50計(jì)算。滿足上述條件，就無需再作單肢驗(yàn)算。三、綴材計(jì)算1、計(jì)算剪力綴材主要承受剪力引起的內(nèi)力。綴條如同桁架腹桿一樣確定其內(nèi)力，綴板則和計(jì)算單肢內(nèi)力時(shí)一樣，假定反彎點(diǎn)位于各節(jié)間和綴板的中央,由平衡條件計(jì)算。剪力Q的取值應(yīng)為。對于長細(xì)比小的桿,初彎曲的影響很小，而初偏心的影響卻不可忽視。反之，對于長細(xì)比很大的桿，初彎曲影響很大,把缺陷都?xì)w結(jié)為初彎曲又失之過大.因此，把初彎曲矢高減小為，另加初偏心0.05i,近似地把初偏心的效應(yīng)看作和初彎曲相同。GB50017規(guī)范規(guī)定取。2、綴條次應(yīng)力綴條柱實(shí)際上也是超靜定結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹卣麄€(gè)桿長是連續(xù)的；焊接的綴條端部連接也有一點(diǎn)剛性，因此，綴條不免因桿件變形而產(chǎn)生次應(yīng)力.不帶橫綴條和帶橫綴條的單斜桿體系，屬于靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩肢各承擔(dān)桿件壓力的一半時(shí)，綴條都不受力。柱肢受壓產(chǎn)生壓縮變形，而綴條長度保持不變。不帶橫綴條者兩肢向外平行移動(dòng)，帶橫綴條者兩肢都呈折現(xiàn)，因?yàn)樗麄兪沁B續(xù)的，且剛度比較大，所以不出現(xiàn)折現(xiàn)。具有雙斜桿綴條體系,在柱肢受壓縮短時(shí)，綴條不可能保持原有長度不變.因此,即使看成在節(jié)點(diǎn)處完全鉸接,綴條中也必然有次應(yīng)力。按一般超靜定桿系的辦法計(jì)算了完全鉸接的雙系綴條的次應(yīng)力，計(jì)算時(shí)取一個(gè)節(jié)間。通常橫綴條和斜綴條用相同截面，即Ad=Ah,則公式簡化為。柱肢的彎矩在荷載達(dá)到一定程度后逐漸減小，原因是節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)局部屈服而使約束松弛。同時(shí)，由于存在焊接殘余應(yīng)力，局部塑性出現(xiàn)得比較早。約束松弛，綴條次應(yīng)力隨之減少.有橫綴條的壓桿承載能力并不因肢件彎曲而低于沒有橫綴條的桿。因此，單綴條系的桿件即使有橫綴條存在，也不必去計(jì)算綴條的次應(yīng)力。四、墊板式組合壓桿兩個(gè)角鋼相距一塊節(jié)點(diǎn)板厚度，組成組合式T形截面壓桿，是桁架常用的構(gòu)建形式。有時(shí)，兩根槽鋼也用類似的方式組成組合構(gòu)件.這種構(gòu)件兩肢之間隔一定距離設(shè)置墊板，可以叫做墊板式組合構(gòu)件。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，這類組合壓桿應(yīng)按照實(shí)腹式壓桿一樣計(jì)算，但要求墊板間的距離不超過40i。這一規(guī)定適用于焊接或鉚接的桿。如果桿件用普通螺栓連接，則由于螺栓連接的滑動(dòng)，荷載達(dá)不到實(shí)腹壓桿的數(shù)值。五、局部缺陷對綴條式壓桿的影響當(dāng)前計(jì)算格