钢结构塑性设计.doc

第19章轴心受力构件 轴心受力构件是指轴向力通过杆件截面形心作用的构件，可有轴心受拉构件和轴心受压构件两类。桁架、网架、塔架等铰接杆件体系结构多由轴心受力构件组成。钢屋架的下弦杆和一部分腹杆、屋架的支撑以及柱间支撑多按轴心受拉构件设计。钢屋架的上弦杆和一部分腹杆，工作平台、栈桥及管道支架柱，以及支承梁或桁架的轴心受压杆，一般都按轴心受压构件设计。 轴心受力构件的常用截面形式可有：型钢截面、实腹式组合截面和格构式组合截面(图19-1)。 轴心受力构件的应用广泛。设计时应满足强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性的要求：构件应力求构造简单、施工方便；结构应省钢，造价低廉。 191 轴心受力构件的强度 轴心受力构件在轴心力设计值F作用下，在截面内引起均匀的拉应力或压应力，承载力极限状态取全截面达到钢材屈服强度fy，钢材强度设计值为f=fy/yf，当截面有孔洞削弱时应取净截面积An，则轴心受力构件截面强度计算公式为 Q=FAnf(19-1) 单角钢杆件或单圆钢拉杆两端与节点板采用单面连接时固有构造偏心，为简化计算可按轴心受力构件计算，考虑偏心产生的不利影响，计算时将构件或连接的强度设计值乘以o85的折减系数。f取值见表11-1。 192轴心受力构件的刚度 轴心受力构件应有足够的刚度要求，以免构件在制造、运输和安装过程中产生过大变形；在使用期间，因构件过于细长，在风荷载或动力荷载作用下引起不必要的振动或晃动；甚至在构件自重作用下，因刚度不足而发生弯曲变形。根据长期的工程实践经验，要使轴心受力构件第543页第20章 受弯构件与平台结构 钢梁是一种应用广泛的承受横向荷载而弯曲工作的受弯构件。最常见的钢梁有楼盖梁、工作平台梁、墙架梁、檩条和吊车梁等，临时性结构也常用型钢梁。钢梁按加工制作方式分型钢梁和组合梁；型钢梁又可分为热轧型钢梁和冷弯薄壁型钢梁两种。 钢梁常用的截面形式如图20-1所示。热轧型钢梁加工简单，成本较低应优先选用；冷弯薄壁型钢梁较为经济，但防锈能力差，多用于跨度小、荷载轻、环境干燥的场合。组合梁由钢板或型钢连接而成，常用三块钢板焊接成I形和四块钢板焊接成箱形截面，后者具有较好的抗扭刚度。组合钢梁截面合理，但加工量大，多用于截面高度受到限制的情况。 俐梁根椐弯曲变形的不同，还分为单向弯曲梁和双向弯曲梁。采用不同材料进行组合的组合梁，如钢与混凝土组合梁，可收到很好的经济效果。 由多个梁组成的结构体系称为梁格。梁格可分为简单梁格(由同一种梁排列组成)；由主次梁组成的普通梁格和复杂梁格。梁格中主次梁的连接方式可有上下叠接、等高连接、低位连接和高位连接等多种形式，按支承情况可分为简支梁、连续梁和多孔静定梁，设计时应根据不同的条件和要求选用。 对钢梁的设计要求，与钢柱相同。梁必须具有足够的强度、刚度和稳定性。 201 梁的强度计算 梁的强度计算，包括梁净截面考虑塑性发展的抗弯强度和抗剪强度，局部承压强度及几种应力引起的折算应力汁算。 2011 梁的抗弯强度计算 1，梁在弯矩作用下，截面上正应力发展的三个阶段。 (1)弹性工作阶段。弯矩较小时，梁截面应力为直线分布，最外边缘正应力。不超过屈段点人，其弹性极限弯矩为：Me=wnJy，Wn为净截面弹性抵抗矩(图20-2b、c)。 (2)弹塑性工作阶段。弯矩继续增加，截面边缘区域出现塑性变形，但中间部分仍保持弹性工作状态(图20-2d)。 (3)塑性工作阶段。弯矩再继续增加，截面塑性变形向深处发展，直至弹性核心消失，截面全部进入塑性状态，形成塑性铰区(图20-2e)。梁变形很大，截面已不能承受更大弯矩。此时。第568页 梁的抗弯强度按塑性工作阶段计算，亦称塑性设计；按弹性工作阶段计算，亦称弹性设计，可见，前者比后者更能充分发挥材料的作用，经济效益较高。考虑到塑性变形过大将SI起梁的挠度过大，刚度降低，整体稳定和局部稳定降低，腹板局压应力不足；规范规定，对需要计算疲劳的梁，不考虑截面塑性工作，仅按弹性设计；对不需要验算疲劳的梁，如：承受静力荷载或间接承受动力荷载的梁只考虑部分截面塑性工作，塑性发展深度不超过o15倍的截面高度，对两个主轴分别用截面塑性发展系数y。和y，控制，称为弹塑性设计。 2梁的抗弯强度计算公式 在主平面内受弯的实腹梁，其抗弯强度计算按下式： 对承受静力荷载或间接承受动力荷载的单向弯曲梁为式中：Mx、MY绕x轴和9轴的弯矩，对I形截面：x轴为强轴，y轴为弱轴； Wnx、Wnv，对x轴和9轴的净截面抵抗矩； yx、yy截面塑性发展系数，对I形截面：yx=105，yy=120；对箱形截面：yx=yv=1.05； 对其他截面可按表20-l采用； f钢材的抗弯强度设计值。 当梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于13235/fv，但不超过15235/fv时，应取yx=10。人为钢材的屈服强度：对Q235钢，取fv=235Nmn2；对Q345钢、16Mnq叫钢，取人：345Nmn2；对Q390钢、15MnVq钢，取，二390Nmn，以免甥性发展局部失稳。 对需要计算疲劳的梁，仍按上式计算，但取yy=yv=10，即为弹性设计。 2012 梁的抗剪强度计算 在主平面内受弯的实腹梁，其抗剪强度应按下式计算第九章 塑性，设计 第一节 一般要求 对超静定的梁和框架采用塑性设计，可以充分利用结构和构件的塑性性能达到节约材料的目的。在建筑结构中，早在20世纪初期就已提出塑性设计的概念，并得到试验验证。1948年英国在其BS449规范中正式规定可以采用塑性设计。其后，世界很多国家和地区的规范或设计文件中，陆续对塑性设计作了反映，其中有详细规定条文的有；美国AISC(1993)规范，澳大利亚ASCA，(1968)规范，加拿大CSASl6(1969，1974)规范，法国钢结构塑性分析建议(1975)，印度ISI手册， 日本钢结构塑性设计规范(1970)等等；而仅规定允许采用塑性设计的有：奥地利B4600(1964)规范，捷克CSN 73规范，丹麦规范，西德DINl050规范，意大利CNRUNll01167规范，墨西哥建筑规范，瑞典SBN67规范，瑞士SIAN0161规范等等。 欧洲钢结构协会的建议(1983年稿)和国际标准化组织的钢结构规范(1985年稿)，都将塑性分析和弹性分析并列为重要的计算准则。 我国GB 50017规范专门列出“塑性设计”一章，指出：不直接承受动态荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和两层框架结构，可采用塑性设计。而且规定：采用塑性设计的结构或构件，按承载能力极限状态设计时，应采用荷载的设计值；考虑构件截面内塑性发展及由此引起的内力重分配，用简单塑性理论进行内力分析。 一、截面全塑性的极限弯矩 1受弯构件的极限弯矩 在第四章第一节已经讲过，受纯弯矩的，全截面几乎全部进人塑性时达到承载能力极限，其极限弯矩(甥性铰弯矩)为 Mp=WpFy(91)式中 。构件的塑性截面模量。 塑性截面模量Wp与弹性截面模量W之比，vF=Wp/W，称为截面形状系数(其值参见第四章表41和42)。用于塑性设计的工字形截面，绕强轴弯曲时，Rv=111114。所以充分考虑截面内塑性发展时，其承载能力大于按弹性设计的10以上。 2轴心力和弯矩共同作用下的极限弯矩 轴心力将显著地减小截面的极限弯矩。对绕强轴弯曲的工字形截面，和N的相关关系，可按第五章第二节的公式(553)和(554)来表达，由此画出的相关曲线如图91的实曲线所示。第298页图9I中，Np=Afy是全截面屈服的轴心力；Mp为由公式(91)所表达的仪有弯矩作用时的极限弯矩;Mu是N和M共同作用时的极限弯矩。NNa与Ma/Ma，的相关关系与Af/Aw。值(儿为一个翼缘截面积，Aw为腹板截面积)有关，此比值愈小表示腹板截面积所占的比重愈大，相关曲线愈往外凸。在第五章的压弯构件考虑部分塑性的设计中，采用了图中虚线所示的斜直线作为计算准则。在本章的塑性设计中，为了更充分地利用截面承载能力，采用了图91中的两段直线(点划线)，由此得轴心力与弯矩共同作用下的极限弯矩为：式中 人，纯剪屈服强度。 若单就，和，而言，应力值都不可能达到其完全屈服值，除非其中另一项的应力为零。因此，有剪应力存在时，弯曲正应力的极限分布情况只能如图9，2(b)所示，中部正应力未达到人的腹板区域才能负担剪应力。当塑性铰形成时，可以假定剪应力呈抛物线分布，且中点最大剪应max=Fvy人。由此可得有剪应力存在时的截面极限弯矩为第四章 受弯构件的计算 受弯构件有实腹式和桁架式两种，但我国习惯仅指前者。实腹式受弯构件通常称为梁。梁在计算中应考虑强度、刚度、整体稳定、局部稳定等四个方面的问题。其中刚度计算是使梁在荷载标准值作用下的最大挠度不超过容许挠度，属正常使用极限状态，已在第三章第四节阐述。本章仅叙述强度、整体稳定和局部稳定的计算。 第一节 梁的强度 一、梁的抗弯强度 1梁截面中的塑性发展 现以无孔眼削弱的单向弯曲梁(图41。)为例来说明梁的抗弯性能。第72页可扯获得较大的经济意义。但是，我们在利用塑性的同时，必须考虑到是否会因过度的塑性变形使梁不适于继续承载。 梁截面出现塑性后，其跨中挠度与荷载分布情况有关。例如，图42的两种受荷情况的梁，假设塑性发展深度相同，弹性核只剩下截面高度的110(此时最大弯矩。已很接近塑性铰弯矩)。在跨中有一个集中荷载的粱(图4，2a)，出现的塑性区段长度为2a，只占跨度的很小部分；而在14跨度处有两个相同集中荷载的梁(图，42)，出现的塑性区段长度却达l2+2&，已超出跨度的一半。经用曲率面积法或连续二次积分法计算，当这两个梁的Aw=A1时，图42(o)梁的跨中挠度v1=128v(v为跨中截面边缘屈服时的挠度)，因塑性使梁的刚度下降并不大；但图41(b)梁的跨中挠度却达p：二840。，刚度降低很大。如果两梁在荷载标准值作用下的最大挠度均达到1400(楼盖主粱的容许挠度)，假设荷载分项系数的平均值为13，则在荷载设计值下的挠度为，那么u1和v2分别为第三章 基本设计规定 第一节 设计原则 一、结构的极限状态 建筑结构可靠度设计统一标准(GB500682001)(以下简称统一标准)规定，各种建筑结构应采用“以概率理论为基础的极限状态设计法”。极限状态的定义为：结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足某一规定功能的要求，此特定状态称为该功能的极限状态。各种承重结构均应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。 承载能力极限状态为结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态。 正常使用极限状态为结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的极限状态，在钢结构构件中包括变形和振动等。 如何理解这些极限状态呢?现举例说明。图31(d)为一桁架结构中的拉杆，截面无孔削弱，设计时应进行下列方面的计算： 然后截面中的应力达到钢材屈服点，此拉杆并没有被拉断，也就是没有达到最大承载能力。但是，从钢材的应力应变曲线(图316，Q235钢)中可以看到，应力达屈服点人后应变可以达到25左右，也就是材料每米伸长25mm，如果此杆件长为5m，则总伸长可达125nmi。拉杆发生这样大的变形，肯定会影响整个桁架的工作，不但使整体桁架下塌，而且使受力体系改变。因此，无孔眼削弱的拉杆的强度计算应属于“不适于继续承载第34页的变形”的极限状态。 至于端部连接焊缝的计算，是以焊缝破坏作为极限状态的，就应属于达到“最大承载能力”的极限状态。 (2)验算拉杆的长细比，使长细比不超过容许长细比，应属于“正常使用极限状态”。因拉杆长细比过大时，可能会因自重而明显下垂，也可能会在动力影响下发生较大振动，这些都会影响它的正常使用。 二、概率设计法和非概率设计法 1概率设计法 在结构设计中，影响结构工作性能有若干基本变量，它们包括： (1)引起结构作用效应3(轴向力、弯矩、剪力等)的各种作用，如恒荷载、活荷载、地震、温度变化等。 (2)构成结构抗力只的各种因素，如材料性能(强度、弹性模量等)、几何特征(尺寸、截面面积、截面模量、惯性矩等)等。 这些基本变量都是非确定的量，叫做随机变量。若结构设计时需要考虑影响结构可靠性的上述随机变量有n个，即x1、x2、x3xn、则这n个随机变量通常可建立函数关系。