钢结构(第三版)多媒体课件第六章.ppt

Steel Structure第六 章 第六章 拉弯和压弯构件 第一节 概 述 一、定义 同时承受弯矩和轴心拉(压)力的构件称 为拉(压)弯构件。压弯构件也称为梁柱。 如果只有绕截面一个形心主轴的弯矩，称为 单向拉弯（或压弯）构件；绕两个形心主轴 均有弯矩，称为双向拉弯（或压弯）构件。 弯矩由偏心轴力引起的压弯构件也称作偏压 构件。 Steel Structure第六 章 二、应用 单层厂房的柱、多层或高层房屋的框架柱 、承受不对称荷载的工作平台柱、以及支架柱 、塔架、桅杆塔等常是压弯构件；桁架中承受 节间内荷载的杆件则是压弯或拉弯构件。 Steel Structure第六 章 三、截面形式 当弯矩较小和正负 弯矩绝对值大致相等或 使用上有特殊要求时， 常采用双轴对称截面。 当构件的正负弯矩绝对 值相差较大时，为了节 省钢材，常采用单轴对 称截面。 四.拉弯构件的设计要求 需进行强度和刚度计算。 Steel Structure第六 章 五、压弯构件的设计要求 1压弯构件的破坏方式： （1）强度破坏 （2）弯矩作用平面内丧失整体稳定 （3）弯矩作用平面外丧失整体稳定 （4）局部失稳（屈曲） Steel Structure第六 章 （1）强度破坏 指截面的一部分或全部应力都达到甚 至超过钢材屈服点的状况。 （2）弯矩作用平面内丧失整体稳定 当N1时，应力 分布不均的有利影响较大,限值提高 2 .箱形截面腹板 边缘的嵌固程度比工字形截面弱，且两块 腹板的受力情况也可能有差别，腹板的h0/tw 不应超过上式右侧乘以0.8后的值，当此值小 于 时 ，应采用 Steel Structure第六 章 4.腹板的高厚比不能满足上述要求时的处理方法 加大腹板厚度，使其满足要求。但此法当h0较大时 ，可能导致多费钢材。 在腹板两侧设置纵向加劲肋，使加劲肋与翼缘间腹 板高厚比满足上述要求。此法将导致制造工作量增加 。每侧加劲肋的外伸宽度不应小于10 tw，厚度不应 小于0.75 tw。 在计算构件的强度和稳定性时，利用腹板屈曲后强 度的概念，对腹板仅考虑其计算高度两侧各20 tw的 宽度范围为有效截面，不计腹板的中间部分（但在计 算构件的稳定系数时，仍采用全部截面）。此法当h0 较大时，比较经济。 Steel Structure第六 章 第五节 压弯构件的截面设计和构造 要求 一、设计要求 1截面选择 高度较大的压弯构件宜采用格构式。M较小或M的 绝对值相差较小时，宜采用双轴对称截面。当M的绝对 值相差较大时，宜采用单轴对称截面。 2设计要求 应满足强度、刚度、整体稳定和局部稳定要求。格 构式压弯构件承受的弯矩绕虚轴作用时，还应满足单肢 稳定要求。截面轮廓尺寸尽量大而板厚较小，以获得较 大的惯性矩；尽量使弯矩作用平面内和外的稳定承载力 接近。构造简单，制造方便、连接简单。先根据构造要 求或设计经验，初选截面，再进行各项验算。依验算结 果调整截面尺寸，直至满意为止。 Steel Structure第六 章 二、实腹式压弯构件的截面设计 截面设计可按下列步骤进行： 1、确定 构件承受 的内力设 计值； 2、选择 截面型式 ； 3、选择钢 材及确定钢 材强度设计 值； 4、确定弯 矩作用平面 内和外的计 算长度； 5、根据经 验或已有资 料初选截面 尺寸； 6、对初选截面进行验算：强度验 算；刚度验算；弯矩作用平面内 整体稳定验算；弯矩作用平面外整 体稳定验算；局部稳定验算。 验算不满足要求，或富裕过大，应对初选截面进行修 改，重新进行验算，直至满意为止。 Steel Structure第六 章 三、格构式压弯构件的截面设计 格构式压弯构件大多用于单向压弯，且弯矩 绕截面的虚轴作用时的情况。常采用缀条柱。截 面设计步骤如下，其它形式可参照进行。 1、按构造要求或凭经验初选两分肢轴线间距 离或两肢背面间的距离b。 2、求两分肢所受轴力N1和N2 ，按轴心受压 构件确定两分肢截面尺寸。 3、缀条截面设计和缀条与分肢的连接设计。 4、对整体格构式构件进行各项验算。不满足 要求时，作适当修正，直到全部满足要求，且不 过于保守为止。 Steel Structure第六 章 第六节 框架梁与柱的连接和柱的 拼接 一. 框架梁与柱的连接 (一)设计原则 安全可靠、传力路线明确简捷、构造简单 、便于制造和安装。 Steel Structure第六 章 (二)连接分类 1.柔性连接也称简支连接 （1）梁支承于柱顶 a.平缘支座梁 梁端支承加劲肋应与柱翼缘对 正，梁的反力由梁端支承加劲肋直接传给柱 翼缘。构造简单，传力明确，对制造和安装 要求不高，但当两相邻梁的反力不等时，柱 为偏心受压。 b.突缘支座梁 梁的反力通过突缘支座传给柱 。突缘支座板下边应刨平与柱顶板顶紧。在 柱腹板两侧应设加劲肋。 Steel Structure第六 章 （2 2）梁支承于柱侧）梁支承于柱侧 梁的反力较小时，将梁搁置在柱侧牛腿上，梁的反力较小时，将梁搁置在柱侧牛腿上， 为防止梁扭转，可在梁顶部设小角钢与柱相连。为防止梁扭转，可在梁顶部设小角钢与柱相连。 构造简单，安装方便。当梁的反力较大时，可在构造简单，安装方便。当梁的反力较大时，可在 柱上焊一厚钢板承托，梁端突缘支座板与承托刨柱上焊一厚钢板承托，梁端突缘支座板与承托刨 平顶紧。平顶紧。 Steel Structure第六 章 2.2.刚性连接刚性连接 应在柱腹板位于梁的上、下翼缘处设置水应在柱腹板位于梁的上、下翼缘处设置水 平加劲肋或隔板，以防止柱翼缘在梁受拉翼缘平加劲肋或隔板，以防止柱翼缘在梁受拉翼缘 的水平拉力作用下变形过大和柱腹板在梁受压的水平拉力作用下变形过大和柱腹板在梁受压 翼缘的水平压力作用下发生承压破坏和局部失翼缘的水平压力作用下发生承压破坏和局部失 稳。应验算梁与柱的连接在弯矩和剪力作用下稳。应验算梁与柱的连接在弯矩和剪力作用下 的承载力和节点域的抗剪强度。的承载力和节点域的抗剪强度。 Steel Structure第六 章 试验表明，由于节点域四周边缘构件的约试验表明，由于节点域四周边缘构件的约 束作用，节点域的实际抗剪屈服强度有较大提束作用，节点域的实际抗剪屈服强度有较大提 高。设计时可取提高系数为高。设计时可取提高系数为4/34/3，忽略柱剪力，忽略柱剪力 V V c1c1和轴力对节点域抗剪强度的影响，按下式 和轴力对节点域抗剪强度的影响，按下式 计算抗剪强度计算抗剪强度 当节点域的厚度不满足上式要求时，宜将当节点域的厚度不满足上式要求时，宜将 柱腹板在节点域局部加厚或加焊贴板。柱腹板在节点域局部加厚或加焊贴板。 3.半刚性连接 除承受梁端传来的竖向剪力外，还可以承受 一定数量的弯矩。设计半刚性连接的框架时， 需要知道节点的弯矩转角关系关系。 Steel Structure第六 章 二. 框架柱的拼接 框架柱的安装单元长度常为23层高，常 在上层横梁上表面以上0.81.2m左右处设置柱 与柱的工地拼接。 工字形截面柱的 拼接可采用坡口 焊缝连接、摩擦 型高强度螺栓连 接、以及上述两 者的混合连接。 Steel Structure第六 章 第七节 柱脚设计 一.设计要求 柱下端与基础相连的部分称为柱脚。 柱脚的作用是将柱身所承受的力传递和分 布到基础，并将柱固定于基础。基础一般 由混凝土或钢筋混凝土做成。柱脚构造比 较复杂，用钢量较大，制造比较费工。设 计柱脚时应做到传力明确、简捷可靠，构 造简单，节约材料，施工方便，符合计算 简图。 Steel Structure第六 章 柱脚分为铰接和刚接柱脚两种类型。通常 轴心压力较大，剪力可由底板与基础间的摩擦 力来承受，一般不必计算。当水平剪力超过柱 底摩擦力时（摩擦系数可取0.4），可在柱脚底 板下面设置剪力键或在柱脚外包混凝土来承受 剪力。 二. 铰接柱脚的设计 （一）形式和构造 1、无靴梁的铰接柱脚 柱底端切割平齐, 与底板焊接，用两个锚 栓（d=2030mm)固定在基础上。柱所受 的力通过焊缝传给底板，再传给基础。适用于 轴力很小的柱。 Steel Structure第六 章 2. 有靴梁的铰接柱脚 Steel Structure第六 章 当柱的轴力较大时，通常采用增设靴梁、隔 板的方法，把底板分成几个较小区格，减小基础 反力引起的底板弯矩值，使底板厚度减小。 轴力先通过柱与靴梁连接的竖向焊缝传给靴 梁，然后从靴梁通过其与底板连接的水平焊缝传 给底板，再传给基础。柱身与底板的水平焊缝由 于质量不易保证，计算时通常不考虑其受力，焊 缝的焊脚尺寸按构造条件确定。靴梁外伸较长时 ，可设隔板，将底板区格划小，并提高靴梁的侧 向刚度。 Steel Structure第六 章 （二）铰接柱脚的计算 1. 底板的计算 （1）底板的长度L和宽度B的确定 假设底板与基础接触面上的应力为均匀分布，则底 板的宽度B和长度L可按下式计算： BL=N/fc + A0 底板宽度B 可根据柱截面宽度和部件分布结构布 置确定，取B= b+2tb+2c , tb为靴梁厚度，通常取 1016mm；c为底板悬臂部分长度，一般取 20100mm，当有锚栓孔时，c(25)d 。采用的 B值应为10mm的倍数，且使底板长度L2B。底板 下的压应力应满足 q = N/( B L- A0) fc Steel Structure第六 章 （2）底板厚度计算 底板是一块整体板，计算时可将靴梁、隔 板及柱身截面视作底板的支承，它们把底板划 分为不同支承条件的矩形区格，每一区格可独 立地按弹性理论计算由基础反力引起的最大弯 矩，以此来确定底板厚度。为简化计算，对四 边和三边支承板，通常偏安全均按板边简支考 虑。 所需底板厚度 设计时应尽可能地使各区格的弯矩值接近， 可通过重新划分区格或对个别区格增加隔板的 方法来实现，以节约钢材 。 Steel Structure第六 章 2.靴梁计算 靴梁按支承于柱身两侧的连接焊缝处的单 跨双伸臂梁计算其强度。设计时常先计算靴梁 与柱身间的连接焊缝，再验算靴梁的强度。 （1）靴梁与柱身间连接焊缝计算 一般采用4条竖向焊缝，先选定hf然后 可确定焊缝长度lw。 Steel Structure第六 章 （2）靴梁与底板间的水平焊缝计算 按传递柱全部压力N计算，一般不计入柱与底板 间和隔板与底板间的焊缝。但由于这些焊缝的存在， 靴梁与底板间焊缝可按均匀传递N计算。 （3）靴梁强度验算 每个靴梁承受由底板传来的基础反力，按线均布 荷载qb=qB/2计算(有隔板时仍可按此均布反力qb计算) 。按求得的最大弯矩和最大剪力验算靴梁截面的抗弯和 抗剪强度。 Steel Structure第六 章 3.隔板的计算 隔板按简支梁计算。为简化计算，可按 荷载最大宽度处的分布荷载值作为全跨均布 荷载进行计算。根据隔板的支座反力计算其 与靴梁连接的竖向焊缝，确定隔板高度hd。 计算隔板与底板间的连接焊缝。验算隔板截 面的抗弯强度和抗剪强度。 Steel Structure第六 章 三、刚接柱脚设计 （一）形式和构造 有整体式和分离式两种类型。实腹柱或分肢间 距小于1.5m的格构柱，常采用整体式柱脚；分肢 间距不小于1.5m的格构柱常采用分离式柱脚。 刚接柱脚的锚栓常承受较大的拉力，其直径 和数量需由计算确定。锚栓应固定在焊于靴梁上的 刚度较大的锚栓支承托座上，使柱脚与基础形成刚 性连接。顶板或角钢上宜开缺口（宽度不小于锚栓 直径的1.5倍），并且锚栓位置宜在底板之外。在 安放垫板、固定锚栓的螺母后，再将这些零件与支 承托座相互焊接，以免松动。 Steel Structure第六 章 (二)整体式柱脚计算 1.底板面积 由构造要求确 定宽度B，悬臂长宜 2050mm。由底 板最大压应力不超 过混凝土fc，确定长 度L： Steel Structure第六 章 2.底板厚度 计算各区格底板单位宽度上的最大弯矩 ，可偏安全地取各区格中的最大压应力作为 作用于底板单位面积的均匀压应力q进行计算 。根据底板的最大弯矩，来确定底板的厚度 。 3.靴梁和隔板的设计 方法与铰接柱脚类似。在计算靴梁与柱 身连接的竖直焊缝时，应按可能承受的最大 内力N1计算 Steel Structure第六 章 4.锚栓的设计 锚栓既要固定柱脚位置，还要承受柱脚 底部的N 和M 作用引起的拉力Nt。假定拉应 力的合力由锚栓承受，由对压应力合力作用 点D 的力矩平衡条件Md=0， 可得锚栓需要的截面面积 依此选用锚栓的数量和规格。 Steel Structure第六 章 （三）分离式柱脚计算 每个肢根据分肢可能产生的最大压力按 铰接柱脚设计，锚栓的直径根据分肢可能产 生的最大拉力确定。为保证运输和安装时柱 脚的整体刚性，应在分离柱脚的两底板之间 设置连系杆。 （四）埋入式柱脚设计 1.做法 将钢柱埋人钢筋混凝土基础或基础 梁的柱脚。埋入方法: (1)先将钢柱脚按要求组装固定在设计 标高上，然后浇灌基础或基础梁的混凝土； Steel Structure第六 章 (2)先浇筑基础或基础梁混凝土，留出安 装钢柱脚的杯口，安装好钢柱脚后，再补浇 杯口部分的混凝土。钢柱的埋入深度是影响 柱脚抗弯刚度、承载力和变形能力的最重要 因素。 2.力的传递 通过混凝土对钢柱翼缘的承压力所产生 的抵抗矩承受M，为保证柱脚的整体性，在 钢