钢结构构件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节,钢结构构件,1,、了解,“,轴心受力构件和拉弯压弯,”,的应用和截面 形式；,2,、掌握轴心受拉构件设计计算；,3,、了解,“,轴心受压构件,”,稳定理论的基本概念和分析方法；,4,、掌握现行规范关于,“,轴心受压构件,”,设计计算方法，重点及难点是构件的整体稳定和局部稳定；,5,、掌握实腹式压弯构件与格构式压弯构件的设计方法及其主要的构造要求,大纲要求,:,6.,了解受弯构件的种类及应用；,7.,了解受弯构件整体稳定和局部稳定的计算原,理（难点），掌握梁的计算方法；,8.,掌握组合梁设计的方法及其主要的构造要求；,9.,掌握梁的拼接和连接主要方法和要求。,一、轴心受力构件和拉弯、压弯构件,1,、轴心受力构件和拉弯、压弯构件的应用及截面形式,截面形式分为,：,实腹式,和,格构式,1,）、实腹式截面,2,）、格构式截面,截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。,轴心受力构件的应用,3.,塔,架,1.,桁架,2.,网架,拉弯和压弯构件的应用,一般工业厂房和多层房屋的框架柱均为,拉弯和压弯构件。,N,M,N,e,2,、轴心受力构件的受力性能和计算,一、强度计算（承载能力极限状态）,N,轴心拉力或压力设计值；,A,n,构件的净截面面积；,f,钢材的抗拉强度设计值。,轴心受压构件，当截面无削弱时，强度不必计算。,轴心受力构件,轴心受拉构件,轴心受压构件,强度,（,承载能力极限状态,）,刚度,（,正常使用极限状态,）,强度,刚度,（,正常使用极限状态,）,稳定,（,承载能力极限状态,）,二、刚度计算（正常使用极限状态）,保证构件在运输、安装、使用时不会产生过大变形。,三、轴心受压构件的稳定,1,、轴心受压构件的整体稳定,（,一）轴压构件整体稳定的基本理论,1,）、,轴心受压构件的失稳形式,理想的轴心受压构件,(,杆件挺直、荷载无偏心、无初始应力、无初弯曲、无初偏心、截面均匀等）,的失稳形式分为：,（,1,）,弯曲失稳,-,只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变为曲线，是双轴对称截面常见的失稳形式；,（,2,）,扭转失稳,-,失稳时除杆件的支撑端外，各截面均绕纵轴扭转，,是某些双轴对称截面可能发生的失稳形式；,（,3,）,弯扭失稳,单轴对称截面绕对称轴屈曲时，杆件发生弯曲变形的同时必然伴随着扭转。,2,）,.,轴心受压杆件的弹性弯曲屈曲,l,N,N,F,F,F,N,N,N,N,N,cr,N,cr,N,cr,N,cr,N,N,N,cr,N,cr,A,稳定平衡状态,B,随遇平衡状态,C,临界状态,1,、实际轴心受压构件的临界应力,确定受压构件临界应力的方法，一般有：,（,1,）,屈服准则,：以理想压杆为模型，弹性段以欧拉临界力为基础，弹塑性段以切线模量为基础，用安全系数考虑初始缺陷的不利影响；,（,2,）,边缘屈服准则,：以有初弯曲和初偏心的压杆为模型，以截面边缘应力达到屈服点为其承载力极限；,（,3,）,最大强度准则,：,以有初始缺陷的压杆为模型，考虑截面的塑性发展，以最终破坏的最大荷载为其极限承载力；,（,4,）,经验公式,：以试验数据为依据。,（二）实际轴心受压构件的整体稳定计算,2,、,实际轴心受压构件的柱子曲线,我国规范给定的临界应力,cr,，是按,最大强度准则,，并通过数值分析确定的。,由于各种缺陷对不同截面、不同对称轴的影响不同，所以,cr,-,曲线（,柱子曲线,），呈相当宽的带状分布，为减小误差以及简化计算，规范在试验的基础上，给出了四条曲线（,四类截面,），并引入了稳定系数 。,3,、实际轴心受压构件的整体稳定计算,轴心受压构件不发生整体失稳的条件为，,截面应力不大于临界应力,，并考虑抗力分项系数,R,后，即为：,（,2,）构件长细比的确定,、截面为双轴对称或极对称构件：,x,x,y,y,对于双轴对称十字形截面，为了防止扭转屈曲，尚应满足：,、截面为单轴对称构件：,x,x,y,y,绕对称轴,y,轴屈曲时，一般为,弯扭屈曲,，其临界力低于弯曲屈曲，所以计算时，以换算长细比,yz,代替,y,，计算公式如下：,x,x,y,y,b,t,、单角钢截面和双角钢组合,T,形截面可采取以下简 化计算公式：,y,y,t,b,（,a,）,A,、等边单角钢截面，图（,a,）,B,、等边双角钢截面，图（,b,）,y,y,b,b,（,b,）,C,、长肢相并的不等边角钢截面，,图（,C,）,y,y,b,2,b,2,b,1,（,C,）,D,、短肢相并的不等边角钢截面，,图（,D,）,y,y,b,2,b,1,b,1,（,D,）,、单轴对称的轴心受压构件在绕非对称轴以外的任意轴失稳时，应按弯扭屈曲计算其稳定性。,u,u,b,当计算等边角钢构件绕平行轴,（,u,轴,),稳定时，可按下式计算换算长细比，并按,b,类截面,确定 值：,（,3,）其他注意事项：,1,、无任何对称轴且又非极对称的截面,（单面连接的不等边角钢除外）,不宜用作轴心受压构件；,2,、单面连接的单角钢轴心受压构件，考虑,强度,折减系数,后，可不考虑弯扭效应的影响；,3,、格构式截面中的槽形截面分肢，计算其绕对称轴（,y,轴）的稳定性时，不考虑扭转效应，直接用,y,查稳定系数 。,y,y,x,x,实轴,虚轴,单角钢的单面连接时强度设计值的折减系数：,1,、按轴心受力计算强度和连接乘以系数,0.85,；,2,、按轴心受压计算稳定性：,等边角钢乘以系数,0.6+0.0015,，且不大于,1.0,；,短边相连的不等边角钢乘以系数,0.5+0.0025,，且不大于,1.0,；,长边相连的不等边角钢乘以系数,0.70,；,3,、对中间无联系的单角钢压杆，,按,最小回转半径,计算,，,当,80,时，为提高柱的抗扭刚度，防止腹板在运输和施工中发生过大的变形，应设横向加劲肋，要求如下：,横向加劲肋间距,3,h,0,；,横向加劲肋的外伸宽度,b,s,h,0,/30+40 mm,；,横向加劲肋的厚度,t,s,b,s,/15,。,对于组合截面，其翼缘与,腹板间,的焊缝受力较小，可不于计算，按构,造选定焊脚尺寸即可。,b,s,横向加劲肋,3,h,0,h,0,t,s,截面选取原则,尽可能做到等稳定性要求。,y,y,x,x,（,a,）,实轴,虚轴,x,x,y,y,（,b,）,虚轴,虚轴,x,x,y,y,（,c,）,虚轴,虚轴,（,2,）格构式轴心压杆,为了使柱子实现轴心受压，并安全将荷载传至基础，必须合理构造柱头、柱脚。,设计原则是：传力明确、过程简洁、经济合理、安全可靠，并具有足够的刚度且构造又不复杂。,（,3,）柱头的构造设计,1,、实腹式柱头顶部连接,A,、顶部插入式连接,B,、梁柱顶部连接,2,、格构式柱头顶部连接,3,、梁柱侧向连接,柱头（梁与柱的连接,铰接,）,（一）连接构造,（二）、传力途径,传力路线：,梁 突缘 柱顶板,加劲肋 柱身,焊缝,垫板,焊缝,焊缝,柱顶板,加劲肋,柱,梁,梁,突缘,垫板,填板,填板,构造螺栓,（三）、柱头的计算,(1),梁端局部承压计算,梁设计中讲授,(2),柱顶板,平面尺寸超出柱轮廓尺寸,15-20mm,，,厚度不小于,14mm,。,（,3,）加劲肋,加劲肋与柱腹板的连接焊缝按承受剪力,V=N,/,2,和弯矩,M=N,l,/,4,计算。,N/2,l,/2,l,15-20mm,15-20mm,t14mm,（,4,）柱脚的构造设计,（一）柱脚的型式和构造,实际的铰接,柱脚型式有以下几种：,1,、,轴承式柱脚,制作安装复杂，费钢材，但与力学符合较好。,枢轴,2,、,平板式柱脚,X,Y,N,靴梁,隔板,底板,隔板,锚栓,柱,单击图片播放,锚栓用以固定柱脚位置，沿轴线布置,2,个，直径,20-24mm,。,肋板,b,1,（二）柱脚计算,1.,传力途径,柱 靴梁 底板 混凝土基础,隔板（肋板）,实际计算不考虑,c,c,a,1,B,t,1,t,1,L,a,b,1,靴梁,隔板,底板,隔板,锚栓,柱,N,2.,柱脚的计算,(1),底板的面积,假设基础与底板间的压应力均匀分布。,式中：,f,c,-,混凝土轴心抗压设计强度；,l,-,基础混凝土局部承压时的强度提高系数。,f,c,、,l,均按,混凝土结构设计规范,取值。,A,n,底版净面积，,A,n,=BL-A,0,。,A,o,-,锚栓孔面积，一般锚栓孔直径为锚栓直径的,1,1.5,倍。,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,靴梁,隔板,底板,L,a,1,构件截面高度；,t,1,靴梁厚度一般为,10,14mm,；,c,悬臂宽度，,c=3,4,倍螺栓直,径,d,，,d=20,24mm,，,则,L,可求。,(2),底板的厚度,底板的厚度，取决于受力大小，可将其分为不同,受力区域：一边,(,悬臂板,),、两边、三边和四边支承板。,一边支承部分（悬臂板）,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,二相邻边支承部分：,-,对角线长度；,-,系数，与 有关。,式中：,b,2,/a,2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,0.026,0.042,0.056,0.072,0.085,0.092,0.104,0.111,0.120,0.125,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,a,2,b,2,三边支承部分：,-,自由边长度；,-,系数，与 有关。,式中：,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,当,b,1,/a,1,0.3,时，可按悬臂长度为,b,1,的悬臂板计算。,b,1,/a,1,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,0.026,0.042,0.056,0.072,0.085,0.092,0.104,0.111,0.120,0.125,四边支承部分：,式中：,a,-,四边支承板短边长度；,b,-,四边支承板长边长度；,系数，与,b/a,有关。,b/a,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,3.0,4.0,0.048,0.055,0.063,0.069,0.075,0.081,0.086,0.091,0.095,0.099,0.101,0.119,0.125,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,(3),靴梁的设计,A,、靴梁的最小厚度不宜小于,10mm,，高度由其与柱间的焊缝（,4,条）长度确定。,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,靴梁,h,a,q,l,h,a,l,R,R,B,、靴梁的截面验算,按支承在柱边的双悬臂外伸梁受均布反力作用。,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,l,e,M,(4),隔板的计算,隔板的厚度不得小于其宽度的,1/50,，高度由计算确定，且略小于靴梁的高度。,隔板可视为简支于靴梁的简支梁，负荷范围如图。,c,c,a,1,B,t,1,t,1,a,b,1,L,h,a,隔板,h,1,q,h,1,a,1,隔板截面验算：,q,h,1,a,1,式中：,(5),靴梁及隔板与底板间的焊缝的计算,按正面角焊缝，承担全部轴力计算，焊脚尺寸由构造确定。,柱脚零件间的焊缝布置,焊缝布置原则：,考虑施焊的方便与可能,1,、梁的类型和应用,二、受弯构件,按制作方法分：型钢梁、组合（截面）梁,楼盖梁,平台梁,按功能分 吊车梁,檩条,墙架梁等,梁,承受横向荷载的受弯实腹式构件,格构式梁,桁架,1,）,.,型钢梁,2,）,.,组合梁,3,）,.,单向弯曲梁与双向弯曲梁,4,）,.,梁的计算内容,正常使用极限状态,刚度,承载能力极限状态,强度,抗弯强度,抗剪强度,局部压应力,折算应力,整体稳定,局部稳定,2.,梁的强度和刚度与稳定要求,V,max,M,max,1,）抗弯强度计算,A.,工作性能,（,1,）弹性阶段,x,x,(1),梁的强度计算,f,y,弹性阶段的最大弯矩,:,(2),弹塑性阶段,(3),塑性工作阶段,弹性区消失，形成塑性铰。,x,x,f,y,a,a,f,y,f,y,分为 和 两个区域。,式中：,S,1nx,、S,2nx,分别为中和轴以上、以下截面对中,和轴,X,轴的面积矩；,W,pnx,截面对中和轴的塑性抵抗矩。,x,x,f,y,a,a,f,y,f,y,塑性铰弯矩,与弹性最大弯矩 之比,:,只取决于截面几何形状而与材料的性质无关,的形状系数。,对,X,轴,对,Y,轴,X,X,Y,Y,A,1,A,w,B.,抗弯强度计算,梁设计时只是有限制地利用截面的塑性，如工字,形截面塑性发展深度取,ah/8,。,(1),单向弯曲梁,(2),双向弯曲梁,x,x,a,a,f,y,式中：,截面塑性发展系数，对于工字形截面梁,:,其他截面见表,5.1,。,当翼缘外伸宽度,b,与其厚度,t,之比满足,:,时，,需要计算疲劳强度的梁,:,X,X,Y,Y,b,t,2,),抗剪强度计算,V,max,M,max,t,max,x,x,3,）局部压应力,当,梁的,翼缘受有沿腹板平面作用的固定集中荷载且荷载处又未设置支承加劲肋时，或有移动的集中荷载时，应验算腹板高度边缘的局部承压强度。,F,集中力,对动力荷载应考虑动力系数；,集中荷载增大系数，重级工作制吊车为,1.35,，,其他为,1.0,；,l,z,-,集中荷载在腹板计算高度边缘的假定分布长度：,a,-,集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，对吊车轮压可,取为,50mm,；,h,y,-,自梁承载边缘到腹板计算高度边缘的距离；,h,r,-,轨道的高度，计算处无轨道时取,0,；,a,1,-,梁端到支座板外边缘的距离，按实际取，但不得,大于,2.5h,y,。,梁端支座反力：,跨中集中荷载：,腹板的计算高度,h,o,的规定：,1,轧制型钢，两内孤起点间距,;,2,焊接组合截面，为腹板高度,;,3,铆接时为铆钉间最近距离,。,h,o,b,t,1,h,o,b,t,1,h,o,4,）折算应力的计算,应带各自符号，拉为正。,计算折算应力的设计值增大系数。,异号时，,同号时或,原因：,1,只有局部某点达到塑性,2,异号力场有利于塑性发展,提高设计强度,（,2,）梁的刚度计算,分别为全部荷载下和可变荷载下受弯构件挠度限值，按规范取,见书附表,2.1,。,对于的算法可用材料力学算法解出，也可用简便算法。,等截面简支梁：,梁的最大挠度，按荷载标准值计算。,跨中毛截面抵抗矩,支座附近毛截面抵抗矩,翼缘截面改变的简支梁：,（,3,）梁的的整体稳定,1,）丧失整体稳定的现象,侧向弯曲，伴随扭转,出平面弯扭屈曲。,原因：,受压翼缘应力达临应力，其弱轴为,1-1,轴，但由于有腹板作连续支承，（下翼缘和腹板下部均受拉，可以提供稳定的支承），只有绕,y,轴屈曲，侧向屈曲后，弯矩平面不再和截面的剪切中心重合，必然产生扭转。,X,X,Y,Y,1,1,X,X,Y,Y,梁维持其稳定平衡状态所承担的最大荷载或最大弯矩，称为临界荷载或,临界弯矩,。,影响梁整体稳定的主要因素,1,侧向抗弯刚度、抗扭刚度；,2,受压翼缘的自由长度,(,受压翼缘侧向支承点间距,);,3,荷载作用种类；,4,荷载作用位置；,5,梁的支座情况。,提高梁整体稳定性的主要措施,1.,增加受压翼缘的宽度；,2.,在受压翼缘设置侧向支撑。,2),、梁的整体稳定计算,1.,不需要计算整体稳定的条件,1),、有铺板,(,各种钢筋混凝土板和钢板,),密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能阻止其发生侧向位移时；,2),H,型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长度,l,1,与其宽度,b,1,之比不超过下表规定时；,12.0,15.0,9.5,Q420,12.5,15.5,10.0,Q390,13.0,16.5,10.5,Q345,16.0,20.0,13.0,Q235,荷载作用在下翼缘,荷载作用在上翼缘,跨中受压翼缘有侧向支承点的梁,不论荷载作用在何处,跨中无侧向支承点的梁,l,1,/,b,1,条件,钢号,3,）对于箱形截面简支梁，其截面尺寸满足：,可不计算整体稳定性。,b,b,0,t,1,h,0,t,w,t,w,t,2,b,1,b,2,h,(4),梁的局部稳定和加劲肋的设置,1,）、翼缘板的局部稳定,当荷载达到某一值时，梁的腹板和受压翼缘将不能保持平衡状态，发生出平面波形鼓曲，称为梁的局部失稳,梁的受压翼缘可近似视为：一单向均匀受压薄板，其临界应力为：,将,E=206,X,10,3,N/mm,2,，,=0.3,代入上式，得：,由 条件，得：,并视受压翼缘悬伸部分，为三边简支，且板长趋于无穷大，故,=0.425,；不考虑腹板对翼缘的约束作用，,，令,=0.25,，则：,因此，规范规定不发生局部失稳的板件宽厚比：,强度计算考虑截面塑性发展时：,强度计算不考虑截面塑性发展（,x,=1.0,）时：,对于箱形截面受压翼缘在两腹板（或腹板与纵向加劲肋）间的无支承宽度,b,0,与其厚度的比值应满足：,t,b,b,0,t,h,0,t,w,b,t,b,b,0,t,h,0,t,w,2,）、腹板的局部稳定和加劲肋的设置,x,x,V,max,M,max,（,一）加劲肋的设置,纵向加劲肋,横向加劲肋,1.,纯弯屈曲,提高临界应力的有效办法：设纵向加劲肋。,由非均匀受压薄板的屈曲理论，得：,对于腹板不设纵向加劲肋时，若保证其弯曲应力下的局部稳定应使：,即：,腹板不会发生弯曲屈曲，否则在受压区设设纵向加劲肋。,规范取：,为,不设纵向加劲肋限值。,2.,纯剪屈曲,弹性阶段临界应力：,h,o,a,式中：,腹板就不会由于剪切屈曲而破坏否则应设横向加劲肋。,规范取：,为,不设横向加劲肋限值。,若不发生剪切屈曲，则应使：,弹塑性阶段临界应力，取经验公式：,3.,局部压应力下的屈曲,若在局部压应力下不发生局部失稳，应满足：,腹板在局部压应力下不会发生屈曲。,h,o,a,规范取：,综上所述，梁腹板加劲肋设置如下：,直接承受动力荷载的实腹梁：,应在弯曲受压较大区格，加配纵向加劲肋。,以上公式中,h,0,为腹板的计算高度，,t,w,为腹板厚度；对于单轴对称截面梁，,在确定是否配置纵向加劲肋时，,h,0,取腹板受压区高度,h,c,的,2,倍。,(4),梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜,设置支承加劲肋。,(,二）加劲肋的构造和截面尺寸,1,加劲肋布置,宜成对布置，对于静力荷载下的梁可单侧布置。,横向加劲肋的间距,a,应满足：,(1),仅设置横向加劲肋时,2.,加劲肋的截面尺寸,当,时,纵向加劲肋至腹板计算高度边缘的距离应在,:,横向加劲肋的宽度：,横向加劲肋的厚度：,单侧布置时，外伸宽度增加,20,。,(2),同时设置横向、纵向加劲肋时，除满足以上要求外：,横向加劲肋应满足,:,纵向加劲肋应满足,:,3,）支承加劲肋计算,1.,端面承压,A,ce,-,加劲肋端面实际承压面积,;,f,ce,-,钢材承压强度设计值。,C,C,C,C,C,50-100,t,h,o,2t,3.,支承加劲肋与腹板的连接焊缝，应按承受全部集中力或支座反力，计算时假定应力沿焊缝长度均匀分布。,2.,加劲肋应按轴心受压构件验算其垂直于腹板方向的整体稳定，截面为十字形截面，取加劲肋每侧腹板长度为 及加劲肋,作为计算截面面积。,4.,支承加劲肋与翼缘的连接焊缝，应按传力情况进行连接焊缝计算。,3,、梁的拼接,1,）、型钢梁的拼接：,2,）、组合梁的拼接：,10,t,w,500,500,1,2,3,4,4,5,5,1,2,4,5,3,4,5,拼接处对接焊缝不能与基本,金属等强时,受拉翼缘焊缝,应计算确定；,翼缘拼接板的内力应按下式,计算,:,N,1,=,A,fn,f,A,fn,-,被拼接翼缘板净截面面积。,腹板拼接板及其连接承担的内力为：,1,）拼接截面处的全部剪力,v,；,2,）按刚度分配到腹板上的弯矩,M,w,：,3,、梁的支座,支于砌体或混凝土上的支座有三种形式：,R,平板支座,铰轴式支座,b,弧形支座,r,为了防止弧形支座的弧形垫块和滚轴支座的滚轴被劈裂，其圆弧面与钢板接触面的承压力，应满足：,b,r,铰轴式支座的圆柱形枢轴，当接触面中心角,90,o,时，其承压应力应满足：,