鋼結構課件 鋼結構的基本構建設計.ppt

1、4.1 受彎構件鋼梁 4.1.1 梁的設計要點 鋼梁按截面形式可分為型鋼梁和組合梁兩大類，型鋼梁指工字鋼或槽鋼、H型鋼獨立組成的鋼梁；組合梁指由幾塊鋼板經焊接組成的工字梁、箱形梁等(如圖4.1)。,第4章 鋼結構的基本構件設計,(1)鋼梁的強度和剛度 1)梁的強度 拉彎強度 A彈性工作階段：,圖4.1 鋼梁的截面形式,這時彎矩較小，截面上的彎矩應力是直線分布，其最大正應力 （圖4.2(b)、(c)）。 B彈塑性工作階段： 隨著荷載的增加，彎矩引起的正應力進一步加大，截面外邊緣部分逐漸進入塑性狀態(tài)，中間部分仍保持彈性(圖4.2 (d)。 C塑性工作階段： 如果荷載繼續(xù)增加，梁截面中間部分的應力全

2、部達到屈服強度fy，彈性區(qū)消失，截面全部進入塑性工作階段形成塑性鉸(圖4.2(e)。這時梁的截面彎矩稱為塑性彎矩Mp：,(4.1) 因此，在主平面內受彎的實腹梁，其抗彎強度應按下列規(guī)定計算： (4.2),圖4.2 梁截面的應力分布,規(guī)范規(guī)定,在主平面內受彎的實腹構件，其抗剪強度應按下式計算： (4.3) 腹板局部壓應力 對工字形截面梁，當梁上翼緣受有沿腹板平面作用的集中荷載、且該荷載處又未設置支承加勁肋時(圖4.3)，腹板計算高度上邊緣將產生較大的局部壓應力c，此時腹板計算高度的局部壓應力應滿足下式要求：,(4.4) 關于腹板的計算高度h0:對軋制型鋼梁,為腹板與上、下翼緣相接處兩內弧起點間的

3、距離;對焊接組合梁,為腹板高度;對鉚接或(高強度,圖4.3 梁腹板局部壓應力,螺栓連接)組合梁,為上、下翼緣與腹板連接的鉚釘(或高強度螺栓)線間最近距離。 折算應力 應驗算其折算應力eq： (4.6) 其中正應力按下式計算： (4.7) 2）梁的剛度,梁的剛度可用正常使用極限狀態(tài)下，荷載標準值引起的撓度來衡量。撓度過大會影響正常使用，因此，必須限制梁的撓度不超過規(guī)范規(guī)定的容許撓度v。即： (4.8) (4.9) (2)梁的整體穩(wěn)定 工字形截面梁翼寬、腹板較薄，若無側向支承，則在豎向荷載作用下，梁將從平面彎曲,和扭曲的變形狀態(tài)，如圖4.4所示，從而喪失穩(wěn)定性而破壞。這種梁從平面彎曲狀態(tài)轉變?yōu)閺澟?/p>

4、狀態(tài)的現象稱為整體失穩(wěn)。,圖4.4 梁喪失整體穩(wěn)定的情況,1)梁整體性的計算 在最大剛度主平面內受彎的構件，其整體穩(wěn)定性的驗算公式為：,(4.10) 在兩個主平面受彎的H型截面或工字形截面梁的整體穩(wěn)定驗算公式為： (4.11) 2)梁的整體穩(wěn)定系數b 等截面焊接工字形和軋制H型鋼： (4.12) 雙軸對稱工字形截面(圖4.5(a)：b=0；,單軸對稱工字形截面，加強受壓翼緣：b=0.8(2b-1);加強受拉翼緣: b =2 b-1 ；,圖4.5 工字形截面 (a)雙軸對稱截面 (b)加強受壓翼緣的單軸對稱截面 (c) 加強受拉翼緣的單軸對稱截面,，I1和I2分別為受壓翼緣和受拉翼緣對y軸的慣性

5、矩。,軋制普通工字鋼簡支梁 軋制普通工字鋼簡支梁的整體穩(wěn)定性系數b，按表4.2查用。,軋制槽鋼簡支梁 軋制槽鋼簡支梁的穩(wěn)定系數與荷載形式和作用點位置無關，均可按下式計算： (4.14) 3)可不作整體穩(wěn)定性驗算的條件 有鋪板(各種鋼筋混凝土板和鋼板)密鋪在梁的受壓翼緣上并與其牢固相連，能阻止梁受壓翼緣的側向位移時。,H型鋼或等截面工字形簡支梁受壓翼緣的自由長度l1與其寬度b1之比不超過表4.3所規(guī)定的數值時。,(3)局部穩(wěn)定 1)翼緣的局部穩(wěn)定 工字形截面 梁受壓翼緣自由外伸寬度b1與其厚度t之比，應滿足下式要求： (4.15) 箱形截面 梁受壓翼緣板在兩腹板之間的無支承寬度b0與其厚度t之比

6、，應滿足下式要求：,(4.16) 2)腹板的局部穩(wěn)定 在局部壓應力作用下： (4.17) 在剪應力作用下： (4.18) 在彎曲應力作用下： (4.19),3)加勁肋的設計 腹板加勁肋的設置(圖4.6):,圖4.6腹板上加勁肋的布置 1橫向加勁肋；2縱向加勁肋；3短加勁肋,加勁肋的構造要求 加勁肋宜在腹板兩側成對配置，也可單側配置(圖4.7)，但支承加勁肋、重級工作制吊車梁的加勁肋不應單側配置。 外伸寬度：,圖4.7 加勁肋的配置,(4.20) 厚度： (4.21) 在同時用橫向加勁肋和縱向加勁肋加強的腹板中，橫向加勁肋的截面尺寸除應符合上述規(guī)定外，其截面慣性矩Iz應滿足下列要求： (4.22

7、) 縱向加勁肋的截面慣性矩Iy ，應符合下列公式要求：,當a/h0 0.85時: (4.23) 當a/h0 0.85時: (4.24),支承加勁肋設計 鋼梁的支承加勁肋(圖4.8)，應按承受梁支座反力或固定集中荷載的軸心受壓構件計算其在腹板平面外的穩(wěn)定性。,圖4.8 支承加勁肋的構造 （a）一般支座加勁肋 (b)突緣式支座加勁肋,4.1.2 型鋼梁設計 （1）單向受彎型鋼梁 1)確定設計條件:根據建筑使用功能或主要要求確定荷載、跨度和支承情況，選定鋼材型號，確定強度指標。 2)計算梁的內力:Mmax和Vmax。 3)初選截面：計算梁所需的凈截面抵抗矩Wnx。 (4.25),4)截面強度驗算 抗

8、彎強度： 抗剪強度： 局壓強度： 折算應力： 5)剛度驗算 鋼梁的剛度驗算應按荷載標準值計算，并按,材料力學所述的撓度計算方法進行剛度驗算。 6)整體穩(wěn)定性驗算 當型鋼無保證整體穩(wěn)定的可靠措施時，應按下列驗算整體穩(wěn)定性：,(2)雙向受彎型鋼梁 1)截面確定：先單獨按Mx或My計算Wnx或Wny，然后適當加大Wnx或Wny選定型鋼截面。 2)強度驗算： 3)穩(wěn)定驗算： 4)剛度驗算： 4.1.3 組合梁設計,(1)截面設計 下面以一雙軸對稱工字形截面組合梁為例(圖4.10)，說明截面設計的內容和要求。,圖4.10 工字形截面,1)截面高度h 建筑高度：應滿足建筑的使用功能、生產工藝要求的凈空允許

9、值高度，即hhmax 剛度要求：指在正常使用時，梁的撓度不得超過規(guī)定的容許值，即hhmin。,經濟要求：為使腹板和翼緣的用鋼量最省，可按下式確定梁的高度he。 (4.27) 2）腹板厚度tw 即： (4.28) 考慮腹板局部穩(wěn)定和構造等因素時，可按下列經驗公式確定： (4.29),3)翼緣寬度b及厚度t (2)翼緣焊縫的計算 如圖4.11所示，其焊縫單位長度上的水平剪應力為：,圖4.11 翼緣焊縫的受力情況,翼緣焊縫的強度條件： (4.30) 由式(4.4)可得： 在T1和V1的共同作用下，翼緣焊縫強度應滿足下式要求： (4.31),4.1.4 梁的拼接與連接 (1)梁的拼接,圖4.14 梁的

10、工廠拼接構造,1)工廠拼接 當梁的設計長度和高度大于鋼材尺寸時，梁的腹板和翼緣就需要進行拼接(圖4.14)。 2)工地拼接 為改善受力狀況，可將翼緣與腹板拼接位置略微錯開(圖4.15 (b)，但在運輸和吊裝過程,圖4.15 焊接梁的工地拼接,中端部易碰損，應采取相應措施加以保護。 (2)次梁與主梁的連接 1)簡支次梁與主梁連接 2)連續(xù)次梁與主梁,圖4.16次梁和主梁的鉸接連接 1主梁；2次梁,圖4.17連續(xù)次梁與主梁的連接 1主梁;2承托頂板;3支托頂板;4次梁;5連接蓋板,4.2 軸心受力構件 軸心受力構件的截面形式一般分為實腹式型鋼截面和格構式組合截面兩類。實腹式型鋼截面有圓鋼、圓管、角

11、鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼、H型鋼等(圖4.18(a)，或由型鋼或鋼板組成的組合截面(圖4.18(b)。格構式組合截面是指由單獨的肢件通過綴板或綴條相連形成的構件(圖4.18(c)，可分為雙肢、三肢、四肢等形式。,圖4.18軸心受力構件的截面形式 （圖中虛線表示綴板或綴條）,4.2.1 軸心受力構件的設計要點 (1)強度和剛度 1)強度驗算 即 (4.32) 2)剛度驗算 為避免軸心受力構件在制作安裝和正常使用過程中，因剛度不足，橫向干擾過大，產生,過大的附加應力，必須保證構件具有足夠的剛度。軸心受力構件的剛度是以它的長細比來衡量的，剛度驗算可按下列公式計算： (4.33),(2)軸心受壓構件的

12、整體穩(wěn)定 實際工程中，理想的軸心受壓構件是不存在,的。實際軸心受壓構件的整體穩(wěn)定受到構件的初始缺陷（如偏心、彎曲、撓度等）、焊接殘余應力、材料的性能、長細比、支座條件等多方面因素的影響。得到了軸心受壓構件穩(wěn)定承載力的計算公式： (4.34) 實腹式軸心受壓構件 雙軸對稱或極對稱截面的實腹式柱： (4.35),格構式軸心受壓柱 圖4.19給出兩種不同的雙肢格構式構件，其截面有兩根主軸，一根主軸橫穿綴條或綴板平面(如圖中的xx軸)，稱為虛軸，另一根主軸橫穿兩個肢(如圖中的yy軸)，稱為實軸。 綴條式構件(圖4.19(a)、(b)： (4.36),綴板式構件(圖4.19(c)： (4.37),圖4.

13、19格構式構件的組成 (a)綴條式 (b)綴條式 (c)綴板式,(3)軸心受壓構件的局部穩(wěn)定 實腹式工字形截面構件，由于腹板和翼緣較薄，在軸心壓力的作用下，腹板或翼緣可能產生局部凹凸鼓屈變形(圖4.20)，這種現象稱為板件失去穩(wěn)定而產生局部失穩(wěn)。此外，格構式軸心受壓柱的單肢在綴條或綴板的相鄰節(jié)點間是一個單獨的軸心受壓實腹式構件(圖4.21)，它可能先于構件整體失穩(wěn)而先行失穩(wěn)屈曲。,圖4.20 實腹式軸心受壓構件局部穩(wěn)定 圖4.21 分肢失穩(wěn),1）實腹式軸心受壓柱的局部穩(wěn)定 根據彈性理論，對四邊簡支板在均勻壓力下，板件臨界壓力為：,(4.38) 規(guī)范對圖4.22中工字形截面、箱形截面、T形截面的

14、寬厚比(高厚比)作了如下規(guī)定:,圖4.22工字形及箱形截面尺寸,工字形： (4.39) T形： (4.40) 箱形： (4.41) (4.42) (4.43),T形截面腹板： 熱軋剖分T型鋼 (4.44) 焊接T型鋼 (4.45) 4.2.2 實腹式軸心受壓構件的設計 (1)截面設計的步驟 1)選擇截面形式,2)選擇截面尺寸 根據、鋼號和截面類別查表求，計算初選截面幾何特征值： (4.46) (4.47) (4.48) 確定初選截面尺寸 3)截面驗算 強度：按式（4.32）驗算，即,剛度：按式(4.33)驗算，即 整體穩(wěn)定：按式(4.34)驗算，即局部穩(wěn)定：型鋼截面可不驗算，組合截面按式(4.

15、39)(4.40)驗算，即 (2)構造要求 圖4.23是實腹柱的構造要求。,圖4.23 實腹柱的構造要求 (a1適用于加勁肋， a2適用于橫隔）,4.2.3 格構式軸心受壓構件的設計 (1)格構式軸心受壓構件的綴材設計 1)綴材的剪力 格構式軸心受壓構件受壓屈曲時，將產生橫向剪力V，該剪力按下式計算： (4.49) 2)綴條計算 斜綴條可以看做平行弦桁架的腹桿，為軸心受壓構件(圖4.26)，其內力Nt按下式計算：,(4.50),圖4.26 綴條計算簡圖,3)綴板設計 綴板的受力可視為一單跨多層框架，在剪力V1的作用下，變形如圖4.27所示： 剪力 (4.51) 彎矩 (4.52),圖4.27

16、綴板計算簡圖（單位：mm）,4)橫隔 橫隔可用鋼板或交叉角鋼做成,如圖4.28所示。 (2)格構式軸心受壓構件的計算思路 1)選擇構件形式和鋼材標號,圖4.28 格構式構件的橫隔,2)確定肢件截面 3)確定肢件間的間距 根據等穩(wěn)定條件ox=y，由式(4.36)、(4.37)可得虛軸的長細比： 綴條式構件 (4.53) 綴板式構件 (4.54) 由xT求得：,4)截面驗算 強度驗算： 剛度驗算： 整體穩(wěn)定性驗算： 單肢穩(wěn)定性驗算： 4.2.4 軸心受壓柱的柱頭與柱腳 (1)柱頭 1)梁支承于柱頂的構造,圖4.31(a)應將梁的支承加勁肋對準柱的翼緣，使梁的支承反力通過加勁肋直接傳遞給柱翼緣。 圖

17、4.31(b)在梁端設置突緣加勁肋，在梁的軸線附近與柱頂板頂緊，同時在柱頂板下腹板兩側設支承加勁肋，這時柱腹板為主要受力部分，不能太薄。,2）梁支承于柱側的構造 圖4.32(a)將梁擱置于柱側的承托上，用普通螺栓連接。,圖4.31 梁支承于柱頂的鉸接連接,圖4.32(b)當梁的反力較大時，用厚鋼板作承托，用焊縫與柱相連。,圖4.32 梁支承于柱側的鉸接連接,(2)柱腳設計 當柱軸力較小時，可在柱子下端設單塊底板，底板與柱焊接，并用錨栓固定于混凝土基礎上(圖4.33(a)。 柱腳的計算內容包括確定底板的尺寸，靴梁尺寸以及連接焊縫的尺寸等，具體計算方法如下： 底板面積,(4.55),圖4.33 鉸

18、接柱腳,底板均勻反力 (4.56) 柱腳底板所承受的彎矩值計算,圖4.34 (a)靴梁受力圖(b)隔板受力圖 (c)底板受力圖,底板厚度 由底板的抗彎強度確定： (4.58) 靴梁的計算 故靴梁板所承受的最大彎矩為外伸梁支承處的彎矩： (4.59) 支承處的剪力 (4.60),隔板 隔板為底板的支承邊，承受底板反力q作用，受荷范圍見圖(4.34)中陰影部分，可按簡支梁考慮。,圖4.35 例圖4.6（單位：mm）,4.3 拉彎和壓彎構件 同時承受軸心拉力和彎矩的構件稱為拉彎構件（圖4.36），而同時承受軸心壓力和彎矩的構件稱為壓彎構件（圖4.37）,工程中也常把這兩類構件稱為偏心受拉和偏心受壓構

19、件。 4.3.1 拉彎和壓彎構件的設計要點 (1)強度 構件在軸心拉力或壓力N和繞一個主軸x軸的彎矩Mx的作用下，其強度按下列公式驗算：,圖4.36 拉彎構件 圖4.37 壓彎構件,(4.63),(2)剛度 與軸心受力構件類似，拉彎和壓彎構件的剛度是通過控制構件的長細比不超過容許長細比 來保證的，即 (3)實腹式壓彎構件的整體穩(wěn)定 1)彎矩作用平面內的整體穩(wěn)定 其穩(wěn)定性應按下列公式驗算： (4.64),框架柱和兩端支承的構件 懸臂構件：mx=1.0。 對這類構件，除按式（4.64）驗算其穩(wěn)定性外，尚應按下式驗算較小翼緣： (4.65) 2)彎矩作用平面外的穩(wěn)定性 我國規(guī)范中按下列公式驗算： (4.66),工字形截面(含H型鋼) 雙軸對稱時： (4.67) 單軸對稱時： (4.68) T形截面(彎矩作用在對稱軸平面，繞x軸) A.彎矩使翼緣受壓時： 雙角鋼T形截面：,(4.69) 部分T型鋼和兩板組合T形截面： (4.70) B.彎矩使翼緣受拉且腹板寬厚比不大于 時： (4.71) (4)實腹式壓彎構件的局部穩(wěn)定 1)翼緣的局部穩(wěn)定 壓彎構件翼緣的局部穩(wěn)定與受彎構件類似，,應限制翼緣的寬厚比，即受壓翼緣板的自由外伸寬度b與其厚度t之比應符合下列要求： (4.72) 當強度和穩(wěn)定性計算中取x=1時，可放寬，即 (4.73) 2)腹板的局部穩(wěn)定 腹板彈塑性屈曲臨界應力為：,(4.7