构件的截面承载能力—强度.pdf

第第 3 章构件的截面承载能力章构件的截面承载能力强度强度 3.1 轴心受力构件的强度及截面选择轴心受力构件的强度及截面选择 3.1.1 轴心受力构件的应用和截面形式轴心受力构件的应用和截面形式 一、轴心受力构件的应用 1.主要承重钢结构，如平面、空间和架和网架等。2.工业建筑的平台和其他结构的支柱 3.各种支撑系统 二、轴心受力构件的截面形式 1.轴心受力构件的截面分类 第一种：热轧型钢截面：圆钢、圆管、方管、角钢、工字钢、T 型钢和槽钢等，如图 3-1（a）。第二种：冷弯薄壁型钢截面：带卷边或不带卷边的角形、槽形截面和方管等，如图 3-1（b）。第三种：用型钢和钢板连接而成的组合截面：实腹式如图3-1（c），格构式如图3-1（d）。2.对轴心受力构件截面形式的共同要求是（1）能提供强度所需要的截面积;（2）制作比较简便;（3）便于和相邻的构件连接;（4）截面开展而壁厚较薄，以满足刚度要求：对于轴心受压构件，截面开展更具有重要意义，因为这类构件的截面积往往取决于稳定承载力，整体刚度大则构件的稳定性好，用料比较经济。对构件截面的两个主轴都应如此要求。根据以上情况，轴心压杆除经常采用双角 钢和宽翼缘工字钢截面外，有时需采用实腹式或格构式组合截面。格构式截面容易使压杆实现两主轴方向的等稳定性，同时刚度大，抗扭性能好，用料较省。轮廓尺寸宽大的四肢或三肢格构式组合截面适用于轴心压力不甚大，但比较长的构件以便满足刚度、稳定要求。在轻型钢结构中采用冷弯薄壁型钢截面比较有利。3.1.2 轴心受拉构件的强度轴心受拉构件的强度 由钢材的应力应变关系可知，轴心受拉构件的承载极限是截面的平均应力达到钢材的抗拉强度。但拉杆达到此强度极限时会发生突然的断裂，缺少必要的安全储备。另外，当构件毛截面的平均应力超过钢材的屈服强度时，由于构件塑性变形的发展，会使结构的变形过大以致不符合继续承载的要求。因此，拉杆毛截面上的平均应力应以不超过屈服强度为准则。对于有孔洞的受拉构件，孔洞附近有如图 3-2（a）所示的应力集中现象。孔壁边缘最大应力可能达到弹性阶段的 34 倍。当孔壁边缘的最大应力达到屈服强度以后应力不再增加而塑性变形持续发展。此后，由于应力重分布，净截面的应力可以均匀地达到屈服强度，如图 3-2(b)。如果拉力仍继续增加不仅构件的变形会发展过大，而且孔壁附近因塑性应变过分发展而有首先被拉断的可能性。规范对轴心受力构件的强度计算，规定净截面的平均应力不应超过钢材的强度设计值。从构件的受力性能看，般是偏于安全的。受拉构件的强度计算公式是：fANn=（3-1）式中:N轴心拉力的设计值；An构件的净截面面积；Ryff/=钢材的抗拉强度设计值。3.1.3 轴心受压构件的强度轴心受压构件的强度 轴心受压构件的强度原则上和受拉构件没有区别。有孔洞削弱的压杆净截面 强度计算公式是：fANn=式中:N轴心压力的设计值；An构件的净截面面积；Ryff/=钢材的抗压强度设计值。不过一般情况下，轴心受压构件的承载力是由稳定条件决定。3.1.4 索的受力性能和强度计算索的受力性能和强度计算 钢索是一种特殊的受拉构件，广泛应用于悬索结构，张拉结构、桅杆纤绳和预应力结构等。悬索作为柔性构件，其内力不仅和荷载作用有关而且和变形有关，具有很强的几何非线性需要由二阶分析来计算内力。悬索的内力和位移可按弹性阶段进行计算，通常采用下列基本假定：(1)索是理想柔性的，不能受压，也不能抗弯。(2)索的材抖符合虎克定律。图3-4中实线为高强钢丝组成的钢索在初次拉伸时的应力应变曲线。加载初期(图中0-1段)存在少量松弛变形，随后的主要部分(1-2段)基本上为一直线。当接近极限强度时，才显示出明显的曲线性质(2-3段)。实际工程中，钢索在使用前均需进行预张拉，以消除0-1段的非弹性初始变形，形成(图3-4)中虚线所示的应力应变曲线关系。在很大范围内钢索的应力应变符合线性关系。钢索一般为高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线，钢丝绳等，根据结构形式的不同，有时也可用圆钢或型钢。钢索的强度计算，目前国内外均采用容许应力法，按下式计算：KfANkmax 式中：Nkmax按恒载(标准值)，活载(标准值)、预应力、地震荷载，温度等各种组合工况下计算所得的钢索最大拉力标准值；A钢索的有效截面积；fk钢家材料强度的标准值；K安全系数宜取2.53.0。3.2 梁的类型和强度梁的类型和强度 3.2.1 梁的类型梁的类型 钢梁主要用以承受横向荷载，在房屋建筑和桥梁工程中得到广泛应用。如楼盖梁、工作平台梁、墙架梁、吊车梁、镶条及梁式桥、大跨斜拉桥、悬京桥中的桥面梁等。钢梁按制作方法的不同可以分为型钢梁和组合梁两大类，如图3-5所示。型钢梁又可分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁两种。热轧型钢梁常用普通工字钢、槽钢或H型钢做成(图3-5中a、b、c)应用最为广泛，成本也较为低廉。对受荷较小，跨度不大的梁用带有卷边的冷弯薄壁槽钢(图3-5中d、f)或Z型钢(图3-5中e)制作，可以有效地节省钢材。受荷很小的梁，有时也用单角钢做成。由于型钢梁具有加工方便和成本较低的优点，在结构设计中应该优先采用。当荷载和跨度较大时，型钢梁受到尺寸和规格的限制，常不能满足承截能力或刚度的要求，此时可考虑采用组合梁。组合梁按其连接方法和使用材料的不同，可以分为焊接组合梁(简称焊接梁)、铆接组合梁、钢与混凝土组合梁等。组合梁截面的组成比较灵活可按材料在截面上的分布更为合理。最常用的组合梁是由两块冀缘板加一块腹板做成的焊接工字形截面(图3-5中g)，它的构造比较简单、制作方便，必要时也可考虑采用双层翼缘板组成的截面(图3-5中i)。图3-5中h所示为由两个T型钢和钢板组成的焊接梁。铆接梁(图3-3中j)除冀缘板和腹板外还需要有翼缘角钢，和焊接梁相比，它既费料又费工属于已经淘汰的结构形式。对于荷载较大而高度受到限制的梁，可考虑采用双腹板的箱形梁(图3-5中k)，这种截面型式具有较好的抗扭刚度。混凝土宜于受压，钢材宜于受拉，为了充分发挥两种材料的优势，钢与混凝土组合梁得到了广泛的应用(图3-5中l)，并收到了较好的经济效果。将工字钢或H型钢的腹板如图3-6(a)所示沿折线切外，焊成如图3-6(b)所示的空腹梁，一股常称之为蜂窝梁，是一种较为经济合理的构件形式。或如图3-7所示，将工字形或H 型钢的腹板斜向切开，颠倒相焊做成楔形梁以适应弯矩的变化。按受力情况的不同，可以分为单向弯曲梁和双向弯曲梁，图3-8所示的屋面檩条及吊车梁都是双向受弯梁，不过吊车梁的水平荷载主要使上翼缘受弯。为了节约钢材，可以把预应力技术用于钢梁。它的基本原理是在梁的受拉侧设置具有较高预拉力的高强度钢筋或钢索，使梁在受荷前受反向的弯曲作用，从而提高钢梁在外荷载作用下的承载能力(图3-9)。但预应力钢梁的制作、施工过程较为复杂。梁的承载能力极限状态计算包括截面的强度、构件的整体稳定、局部稳定。对于直接受到重复荷载作用的梁，如吊车梁，当应力循环次效n105时尚应进行疲劳验算。本章只阐述强度计算，包括弯、剪、扭等力素及其综合效应。3.2.2 梁的弯曲、剪切强度梁的弯曲、剪切强度 1.梁的正应力 在纯弯曲情况下梁的纤维应变沿杆长为定值，其弯矩与挠度之间的关系与钢材抗拉试验的-关系形式上大体相同，如图3-10所示。Me为截面最外纤维应力到达屈服强度时的弯矩，它的效值与梁的残余应力分布有关，不过在分析梁的强度时并不需要考虑残余应力的影响。Mp为截面全部屈服时的弯矩。由于钢材存在硬化阶段，最终弯矩超过Mp值。在强度计算中，通常将钢材理想化为图3-11所示的弹塑性应力应变关系。在荷载作用下钢梁呈现四个阶段，现以双轴对称工字形截面梁为例说明如下：（1）弹性工作阶段 弯矩较小时(图3-10中的A点)，梁截面上的正应力都小于材料的屈服点，属于弹性工作阶段(图3-12a)。对需要计算疲劳的梁，常以最外纤维应力到达到fy作为承载能力的极限状态。冷弯型钢梁因其壁薄，也以截面边缘屈服作为极限状态。（2）弹塑性工作阶段 荷载继续增加，梁的两块冀缘板逐渐屈服，随后腹板上下侧也部分屈服(图3-10中的B点及图3-12b)。在钢结构设计规范中对一般受弯构件的计算，适当考虑了截面的塑性发展，以截面部分进入塑性作为承载能力的极限。（3）塑性工作阶段 荷载再增大(图3-10中的C点)，梁截面将出现塑性铰(图3-12c)。静定梁只有一个截面弯矩最大者，原则上可以将塑性铰弯矩Mp作为承载能力极限状态。但若梁的一个区段同时弯矩最大则在到达Mp之前梁就已发生过大的变形，从而受到“因过度变形而不适于继续承载”极限状态的制约。超静定梁的塑性设计允许出现若干个塑性铰，直至形成机构。（4）应变硬化阶段 按照图3-11所示的应力应变关系，钢材进入应变硬化阶段后，变形模量为Est。梁变形增加时，应力将继续有所增加，梁截面上的应力分布将如图3-12（d）所示。在工程设计中，梁强度计算一般不利用这阶段。根据以上几个阶段的工作情况可以得到梁在弹性工作阶段的最大弯矩为：ynefWM=（3-3）在塑性阶段，产生塑性铰时的最大弯矩为：中和轴是和弯曲主轴平行的截面面积平分线，中和轴两边的面积相等，对于双轴对称截面即为形心主轴。由式(3-3)和(3-4)可见，梁的塑性铰弯矩Mp与弹性阶段最大弯矩Me的比值仅与截面几何性质有关，与材料的强度无关。一般将毛截面的模量比值WpW称为截面的形状系数F。对于矩形截面，F1.5；圆形截面F=1.7；圆管截面的F1.27；工字形截面对X轴，F在1.10和1.17之间。实际设计中为了避免梁产生过大的非弹性变形，将梁的极限弯矩取在式（3-3）和(3-4)之间。GB50017对不需要计算疲劳的受弯构件，允许考虑截面有一定程度的塑性发展，所取截面的塑性发展系数分别为x和y。例如图3-13所示的双轴对称工字形截面取xy1.05，均小于F。2.梁的剪应力 横向荷载作用下的梁，一般都有剪应力。对于工字形和槽形等薄壁开口截面构件，根据弯曲剪力流理论在竖直方向剪力V作用下，剪应力在截面上的分布如(图3-15)所示。截面上的最大剪应力在腹板上中和轴处。截面上任一点的剪应力应满足下式的要求:vwfItVS=（3-10）3.2.3 梁的扭转梁的扭转 当梁的横向荷裁不通过截面剪心时，梁将在受弯的同时受扭。构件在扭矩作用下，按照荷裁和支承条件的不同，可以出现两种不同形式的扭转。1.自由扭转（圣维南扭转）自由扭转是指截面不受任何约束，能够自由产生翘曲变形的扭转。这里所说的翘曲变形是指杆件在扭矩作用下，截面上各点沿杆轴方向所产生的位移。图3-16(a)所示杆件两端作用有大小相等，方向相反的扭矩，即属于此种情况。圆杆受扭后，截面不产生翅曲变形，各截面仍保持为平面，仅产生剪应力。而对于非圆形截面，例如图3-16(a)所示的工字形截面杆件，扭转后，原来的截面不再保持为平面，产生翘曲变形，但各截面的翘曲变形值相同，同样在截面上只产生剪应力，而且变形后杆件的纵向纤维仍保持为直线。扭转常数It的确定：（1）薄板组合开口截面 对于图3-18所示的薄板组合开口截面，根据理论和试验研究，可以看做由几个狭长矩形截面所组成。其剪应力沿板厚方向呈双三角形分布，与图3-17相同。扭转剪应力在截面内形成内扭矩(图3-196)。其扭转常数It，可以近似取为；（2）薄板组合闭合截面箱形梁 对于薄板组成的闭合截面箱形梁，其抗扭刚度和开口截面梁有很大的区别。在扭矩作用下其截面内部将形成沿各板件中线方向的闭合形剪力流，加图3-20所示，剪应力可视为沿壁厚均匀分布。其扭转常数It的一般公式为：如图3-21所示的截面面积完全相同的工字形截面和箱形截面梁，其扭转常数之比约1：500最大扭转剪应力之比近于30：1，由此可见闭合箱形截面抗扭性能远较工字形截面为有利。2.约束扭转 约束扭转：是指杆件在扭转荷载作用下由于支承条件或荷载条件的不同，截面不能完全自由地产生翘曲变形，即翘曲变形受到约束的扭转。对于图3-22所示双轴对称悬臂工字梁。在悬臂端处，作用有外扭矩MT。扭矩使梁的上下翼绕向不同方向弯曲在悬臂端处截面的翘曲变形最大愈向固定端处靠近，截面的翘曲变形越小说明截面的翘曲变形受到不同程度的约束。在固定端处翘曲变形完全受到约束，截面将保持原来的平面。翘曲变形受到约束，相当于对梁的纵向纤维施加了拉伸或压缩作用。因此，梁在扭矩作用下，不仅产生剪应力，而且同时产生正应力，称其为弯曲扭转正应力。梁扭转时，截面内既有如图3-23(a)所示的自由扭转剪应力s，同时还有由于翼缘弯曲而产生的剪应力w(图3-23b)，常称之为弯曲扭转剪应力。s沿板厚呈三角形分布，而w视为均匀分布。自由扭转剪应力所产生的扭矩之和构成内部自由扭转力矩Ms，由前己知Ms应为：tsGIM=（3-16）式(3-27)为开口薄壁杆件约束扭转计算的一般公式。GIt和EI称为截面的扭转刚度和翘曲刚度。由于开口截面的工字梁和槽钢梁扭转刚度和翘曲刚度都比较小，在设计中应该尽量避免使这类梁受扭。遇到必须使梁受扭曲的场台，宜采用闭合箱形截面。3.约束扭转正应力 约束扭转的一个重要特点是：在产生剪应力的同时还产生弯曲正应力。对于工形截面梁，此应力为：式中：W梁截面的扇性模量，其计算可见薄壁构件理论。在GB500 18规范中所附冷弯型钢规格表巾可以查到。3.3 梁的局部压应力和组合应力梁的局部压应力和组合应力 3.3.1 局部压应力局部压应力 梁在承受固定集中荷载处，无加劲肋(图3-25a、b)或承受移动荷载(如轮压)作用时(图3-25c)，荷载通过翼缘传至腹板，使之受压。腹板边缘在压力F作用点处所产生的压应力最大，向两例边则逐渐减小，其压应力的实际分布并不均匀，如图3-25d所示。在计算中假定压力F均匀分布在一段较短的范围lz之内。GB50017规范规定分布长度lz取为：若验算不满足，对于固定集中荷载可设置支承加劲肋，对于移动集中荷载则需要重选腹板厚度。对于翼绕上承受均布荷载的梁，因腹板上边缘局部压应力不大，不需进行局部压应力的验算。3.3.2 多种应力的组合效应多种应力的组合效应 梁在受弯的同时经常会受剪。当一个截面上弯矩和剪力都较大时，需要考虑它们的组合效应。图3-26a所示承受两个对称集中荷载梁的1-1截面即是如此。工形截面梁的和在截面上都是变化的，它们的最不利组合出现在腹板边缘(图3-26b)。该处达到屈服时，相邻材料都还处于弹性阶段，不妨碍梁继续承受更大的荷载，因而验算公式是：当与c异号时，11.2；当与c同号时，11.1。当梁的横向荷载不通过截面剪心时，应和约束扭转正应力加在一起、而应和自由扭转剪应力及约束扭转剪应力相组合。正应力的验算公式是：3.4 按强度条件选择梁截面按强度条件选择梁截面 工程设计中有大量的梁按强度条件确定其截面尺寸。这些梁都有防止整体失稳的构件与之相连，如上面有桥面板的公路桥梁和有楼面板的楼盖梁。梁的截面选择包括初选截面和截面验算两部分。3.4.1 初选截面初选截面 一、热轧型钢 按强度条件选择梁截面，主要是在满足抗弯条件下如何选出经济合理的截面。当梁跨度不大时，首先考虑是否有合适的轧制型钢。抗弯能力的指标是截面模量，需要的截面模量由下式给出：塑性发展系数x对工字钢和H型钢都取1.05。算得Wnx后可以直接由型钢规格表中选出适用的截面。热轧H型钢分为宽翼缘(HW)、中翼绕(HM)和窄翼缘(HN)三类，最后一类适用于梁。二、焊接组合截面 对于截面较大的梁、需要选用由两块翼缘板和一块腹板组成的焊接截面，如图3-27所示。1.确定梁高度（1）容许最大高度hmax：梁的截而高度必须满足净空要求，亦即不能超过建筑设计或工艺设备需要的净空所允许的限值。依此条件所决定的截面高度常称为容许最大高度hmax。（2）容许最小高度hmin：梁的最小高度依刚度条件决定，即应使梁的挠度满足正常使用极限状态的要求。依不同的值可以算得梁的容许最小高度hmin，如表3-2所示。由表可见梁的容许挠度要求愈严格所需截面高度愈大。钢材的强度愈高，梁所需截面高度亦愈大。（3）经济高度he：一般来说，梁的高度大，腹板用钢量增多而梁翼缘板用钢量相对减少，梁的高度小，则情况相反。最经济的截面高度应使梁的总用钢量力最小。设计时可参照经济高度的经验公式(3-37)初选截面高度。2.确定腹板厚度tw（1）抗剪需要：抗剪需要的厚度可根据梁端最大剪力按下式计算：当梁端翼绕截面无削弱时，式中的系数宜取1.2；当梁端冀缘截面有削弱时宜取1.5。依最大剪力算得的tw一般较小。（2）局部稳定需要：考虑到腹板还需满足局部稳定要求，其厚度可用下列经验公式估算：式中的hw和tw均以cm计。选用的腹板厚度应符合钢板现有规格，并不小于6mm。3.确定翼缘板尺寸 已知腹板尺寸后，可依据需要的截面抵抗矩得出翼缘板尺寸，依图3-27可以写出梁的截面模量为：已知腹板尺寸后，即可由上式算得需要的翼缘截面bt。翼缘的尺寸首先应满足局部稳定的要求。当利用部分塑性，即x1.05时，悬伸宽厚比不应超过yf23513；而x1.0时则不超过yf23515。通常可按b25t选择b和t，一般翼缘宽度b常在下述范围内：3.4.2 梁截面验算梁截面验算 初选截面的计算采用了一些近似关系，截面选出后应按实际截面尺寸进行全面的强度验算。验算中应注意，如初选截面时荷载未包括自重，则此时应加入梁自重所产生的内力。验算项目主要有：1.弯曲正应力验算；2.最大剪应力验算；3.局部压应力验算；4.折算应力验算；5.整体稳定验算 6 局部稳定验算（组合梁）7.刚度验算 3.4.3 梁截面沿长度的变化梁截面沿长度的变化 梁的截面如能随弯矩变化，则可节约钢材。图3-32所示均布荷载作用下简支梁的弯矩图为二次抛物线图形。如果仅依弯矩所产生的正应力考虑梁的最优形状是将净截面抵抗矩按照抛曲线图形变化，做成如图3-32b所示下翼缘为曲线的鱼腹式梁，使梁各截面的强度充分发挥作用。但实际上，梁不仅承受有弯矩的作用，同时还有剪力作用，而且做成曲线形状的钢板比较费工，对钢板的有效使用上也并不有利。因此，焊接梁截面沿长度的改变常采用以下两种方式。一、变化梁的高度。如图3-33所示，将梁的下翼缘做成折线外形，翼缘板的截面保持不变，仅在靠近梁端处变化腹板的高度，这样可使梁的支座处高度显著减小，有时可以降低建筑物的高度和简化连接构造。梁端部的高度应满足抗剪强度的要求，且不宜小于跨中高度的二分之一。下翼缘板的弯折点一般取在距梁端（1/51/6）处，在冀缘由水平转为倾斜的两处均需设置腹板加劲肋，使梁本身的构造较为复杂。二、变化翼缘板的面积。（1）单层翼缘板焊接梁 对于单层翼缘板焊接梁，如图3-34所示改变翼线板的宽度，不致产生严重的应力集中，且使梁具有平的外表面。根据设计经验，改变一次截面约可节省钢材1020。改变次数增多，其经济效益并不显著，反而增加制造工作量。对于承受均布荷载或多个集中荷载作用的简支梁，约在距两端支座l6处改变截面比较经济。初步确定改变截面的位置后，可根据该处梁的弯矩反算出需要的冀缘板宽度bl。为了减少应力集中应将宽板由截面改变位置以1：4的斜角向弯矩较小侧过渡，与宽度为bl的窄板相对接。当正焊缝对接强度不能满足要求时，可以考虑用斜焊缝对接。（2）多层翼缘板焊接梁 对于多层翼缘板的梁，可以采用切断外层翼缘板的方法来改变梁的截面，理论切断点的位置x可依计算确定(图3-35)。为了保证在理论切断点处外层冀缘板能够部分参加工作，实际切断点位置应向弯矩较小一侧延长长度l1并应具有足够的焊缝。当被切断翼缘板的端部有正面焊缝时：当被切断翼缘板的端部无正面焊时：l12b b和t分别为外层翼缘板的宽度和厚度。上述有关梁截面变化的分析是仅从梁的强度需要来考虑的，适合于有刚性铺板而无须顾虑整体失稳的梁。由整体稳定控制的梁，如果它的截面向两端逐渐变小，特别是受压翼缘变窄，梁整休稳定承载力将受到较大削弱。因此，由整体稳定控制设计的梁，不宜于沿长度改变截面。3.5 梁的内力重分布和塑性设计梁的内力重分布和塑性设计 按照理想弹塑性的钢材应力-应变关系，单跨简支梁跨中截面一旦出现塑性铰，即发生强度破坏。对超静定梁(连续梁、固端梁)，一个截面出现塑性铰后，仍能继续承载。随着荷载增大，塑性铰发生塑性转动，结构内力产生重分布，使其他截面相继出现塑性铰，直至形成机构。举例：以承受均布荷载的两端固定梁为例，弹性阶段梁端弯矩大干跨中弯矩，如图3-37所示。因梁端弯矩大于跨中弯矩，A、B点先形成塑性铰，塑性弯矩为MA=MB=MP。此时梁上均布荷载q12 MP/l2，梁并未丧失承载能力。当荷载继续增加时，按照材料理想弹塑性的应力-应变关系，梁端自由转动而弯矩MP维持不变，梁的受力性能如同一根简支梁继续承担荷载，直到跨中弯矩MC也达到MP，形成塑性铰(图3-37d)。此时梁端A、B及跨中C点都出现塑性铰，形成机构，达到承载能力极限。梁所能承受的极限荷载qu16 MP/l2，与梁在两端刚形成塑性铰时的荷载相比，q值增加了13。梁的弯矩图由图3-37(c)逐步转变为图3-37(d)，此过程称为内力塑性重分布内力塑性重分布。塑性设计就是利用内力塑性重分布，以充分发挥材料的潜力。塑性铰弯矩按材料理想弹塑性确定，忽略钢材应变硬化的影响。从塑性发展的过程可见，梁所用钢材应能保证梁端截面有较大的塑性应变而不致断裂。为此GB50017规范规定，进行塑性设计时，钢材的力学性能应满足强屈比fu/fy1.2，伸长率515%，并且相应于抗拉强度fu的应变u不小于20倍的屈服应变y。塑性设计只用于不直接承受动力荷载的固端梁和连续梁，梁的弯曲强度应符合下式要求：结构以形成机构作为极限状态来进行设计，还有两个条件，就是不致因板件局部屈曲或构件弯扭屈曲而提前丧失承载能力。防止板件在结构成为机构之前局部屈曲需要对它的宽厚比严格限制。塑性设计截面板件的宽厚比应符合表3-3的规定。防止构件在出现机构前弯扭屈曲要靠适当布置侧向支承 在构件出现塑性铰的截面处，必须设置侧向支承。该支承点与其相邻支承点间构件的长细比y，应符合下式要求：对不出现塑性铰的构件区段，其侧向支承点间距应由弯矩作用平面外的整体稳定计算确定。3.6 拉弯、压弯构件的应用和强度计算拉弯、压弯构件的应用和强度计算 3.6.1 拉弯、压弯构件的应用拉弯、压弯构件的应用 图3-38(a)所示有偏心拉力作用的构件和图3-38(b)有横向荷载作用的拉杆都是拉弯构件。钢屋架的下弦杆一般属于轴心拉杆，但如果下弦杆的节点之间存在横向荷载就属于拉弯构件。对于拉弯构件，如果所承受的弯矩不大，而主要承受轴拉力时，它的截面形式和一般轴心拉杆一样。当拉弯构件要承受较大的弯矩时，应该采用在弯矩作用平面内有较大抗弯刚度的截面。在拉力和弯矩的共同作用下，截面出现塑性铰是拉弯构件承载能力的极限。但是对于格构式拉弯构件或者冷弯壁簿型钢拉弯构件，截面边缘的纤维开始屈服就基本上达到了承载能力的极限。对于轴线拉力很小而弯矩却很大的拉弯构件，也可能和受弯构件一样出现弯扭失稳的破坏。拉弯构件受压部分的板件也存在局部屈曲的可能性，不过通常这两种可能性都不大。图3-39(a)中承受偏心压力作用的构件，图3-39(b)中有横向荷载作用的压杆以及图3-39(c)在构件的端部作用有弯矩的压杆，都属于压弯构件。厂房的框架柱，多、高层建筑的框架柱和海洋平台的立柱等都属于压弯构件。对于承受弯矩很小而轴压力很大的压弯构件、其截面形式和一般轴心受压构件相同。当构件承受的弯矩相对很大时，除了采用截面高度较大的双轴对称截面外，有时还采用如图3-40所示的单独对称截面，以便获得较好的经济效果。图3-40中的单轴对称截面有实腹式和格构式两种，都是在受压较大一侧分布更多的材料。为了更有效地利用材料，构件截面沿杆轴线可以变化，如工业厂房中的阶形柱(图3-41(a)、楔形柱(图3-41(b)等。压弯构件整体破坏的形式有三种：1.强度破坏:因为杆端弯矩构件可能发生强度破坏，杆截面局部有较大削弱时也可能产生强度破坏，2.弯曲失稳破坏。对于在一个对称轴的平面内作用有弯矩的压弯构件，如果在非弯矩作用的方向有足够支承能阻止构件发生侧向位移和扭转，就只会在弯矩作用的平面内发生，构件的变形形式没有改变，仍为弯矩作用平面内的弯曲变形。3.弯扭失稳破坏：如果压弯构件的侧向缺乏足够支承，也有可能发生弯扭失稳破坏。此时，除在弯矩作用平面存在弯曲变形外，垂直于弯短作用的方向会突然产生弯曲变形。同时截面绕杆轴发生扭转。双向弯曲的压弯构件总是空间弯扭失稳破坏。由于组成压弯构件的板件有一部分受压，和轴心受压构件一样，压弯构件也存在局部屈曲问题。和轴心受力构件一样，对于正常使用极限状态，拉弯、压弯构件也是通过限制其长细比来满足刚度要求。3.6.2 拉弯、压弯构件的强度计算拉弯、压弯构件的强度计算 承受静力荷载作用的实腹式拉弯和压弯构件在轴力和弯矩的共同作用下，受力最不利的截面出现塑性铰时即达到构件的强度极限状态。可以用最简单的矩形截面压弯构件的受力状态来考察它的强度极限状态。图3-42所示矩形截面在轴压力N和弯矩M的共同作用下，当截面边缘纤维的压应力还小于钢材的屈服强度时，整个截面都处在弹性状态(图3-42a)。随着荷载逐渐增加，截面受压区和受拉区先后进入塑性状态(图3-42b、c)。最后整个截面进入塑性状态出现塑性铰，如图3-42(d)。构件截面出现塑性铰时，轴线压力N和弯矩M的相关关系可以根据力的平衡条件得到。按图3-43所示应力分布图，轴线压力和弯矩分别是：当只有轴线压力而无弯矩作用时，截面所能承受的最大压力为全截面屈服的压力YyPbhfAfN=。当只有弯矩而无轴线压力作用时，截面所能承受的最大弯矩为全截面的塑性铰弯矩yyPPfbhfWM42=。把它们分别代人式(3-48)和(3-49)后再从两式中消去y0合并成一个式子，可以得到N和M的相关关系式：把式(3-50)画成如图3-44所示的NNP和MMP的无量纲化的相关曲线。对于工字形截面压弯构件，也可以用相同的方法得到截面出现塑性铰时的NNP和MMP的相关关系式，从而画出它们的相关曲线。因工字形截面翼缘和腹板尺寸的多样化，相关曲线在一定的范围内变动，图3-44中的阴影区画出了常用的工字形截面绕强轴和弱轴弯曲相关曲线的变动范围。对于弯矩沿纵轴变化而最大弯矩发生在构件端部的压弯构件，以及在构件的某些部位存在截面削弱时，非常有可能在这些部位出现塑性铰而导致强度破坏。计 算 压 弯(拉弯)构 件 的 强 度时根据不同情况，可以采用三种不同的强度计算准则：（1）边缘纤维屈服准则：采用这个准则时，当构件受力最大截面边缘处的最大应力达到屈服时，即认为构件达到了强度极限。按此准则，构件始终在弹性阶段工作。GB50017规范对需要计算疲劳的构件和部分格构式构件的强度计算采用这一准则，GB50018规范也采用这一准则。（2）全截面屈服准则：这一准则以构件最大受力截面形成塑性铰为强度极限。（3）部分发展塑性准则：这一准则以构件最大受力截面的部分受压区和受拉区进入塑性为强度极限，截面塑性发展深度将根据具体情况给予规定。为了避免构件形成塑性铰时过大的非弹性变形，GB50017规范规定，一般构件以这一准则作为强度极限。为了计算简便并偏于安全，强度计算可用直线式相关关系，并和受弯构件的强度计算一样，用yWny和xWnx分别代替截面对两个主轴的塑性抵抗矩。单向压弯(拉弯)构件的强度计算公式为：表3-4中有几种单轴对称截面，绕非对称轴弯曲时，与截面边缘1和2对应的地方有x1和x2两个不同的数值。对于格构式构件，当绕截面的虚轴弯曲时，将截面边缘纤维开始屈服看做是构件发生强度破坏的标志，所以值取1.0。式(3-51)和(3-52)中弯曲正应力的一项带有正负号，计算时应使两项(或三项)应力的代数和之绝对值为最大。