钢结构设计原理——轴心受力构件PPT课件.ppt

第4章钢结构 概述轴心受力构件受弯构件拉弯和压弯构件 自学 钢结构连接构造与设计 1 国家大剧院 位于北京人民大会堂西侧 西长安街以南 总占地面积近12公顷 总建筑面积近15万平方米 总投资26 88亿元 目前已进行过网壳部分设计与施工验收审查会议 该工程外部围护结构为钢结构网壳 是半椭圆球形 东西长轴212 2m 南北短轴143 64m 总高度46 285 内设歌剧院 2416席 音乐厅 2017席 及戏剧院 1040席 及公共大厅等 屋面采用钛金属板 整个网壳外环绕人工湖 35500m2 各种通道及入口均设在水下 设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师 北京市建筑设计研究院参与主体设计 整体结构用钢量达6750t 195kg m 2 上海环球金融中心 由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行 保险公司 商社等36家企业 偕同政府系统机构日本海外经济协力基金 OECF 联合投资的上海环球金融中心 总投资逾750亿日元 位于陆家嘴金融贸易区 建筑总面积335 420平方米 地下3层 地上94层 建成后的高度达460米 总用钢量26000t 钢筋混凝土核心筒 外框钢骨混凝土及钢柱 3 轻型钢结构 4 容器和其他构筑物 陕西铜川天然气公司1000立方米天然气球罐 大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF 62钢球罐 5 4 0概述 钢结构的特点 优点强度高 重量轻 塑性好 可焊性好 工业化高 面积利用系数 基础费用 抗震 工期等综合效益较好 缺点耐火性差 耐腐蚀性差 高层中 用钢量大 造价较高 设计施工技术较复杂 防火差 6 4 0概述 钢结构的破坏形式 整体失稳破坏局部失稳破坏强度破坏疲劳破坏 断裂破坏等 7 图 整体失稳破坏1 钢结构的破坏形式 8 钢结构的破坏形式 图 整体失稳破坏2 9 图 局部失稳破坏 钢结构的破坏形式 10 第4章钢结构 概述轴心受力构件受弯构件拉弯和压弯构件钢结构连接构造与设计 11 应用桁架 塔架 网架 支柱等 4 1轴心受力构件 4 1 1轴心受力构件的应用和截面形式 截面型式型钢截面热轧型钢 冷弯薄壁型钢组合截面实腹式 格构式 12 4 1 1轴心受力构件的应用和截面形式 截面型式 热轧型钢截面 冷弯薄壁型钢截面 13 4 1 1轴心受力构件的应用和截面形式 截面型式 型钢和钢板连接而成实腹式组合截面 格构式组合截面 14 4 1 2轴心受拉构件的强度计算和刚度验算 强度计算 式中 N 轴拉力设计值 基本组合值 An 截面的净面积f 抗拉强度设计值 p336 附录一 对圆钢需乘以折减系数0 95 4 1 15 算例 验算图所示双角钢截面的轴心拉杆强度 轴心拉力设计值N 650kN 钢材为Q235钢 角钢截面为L100 100mm 角钢两肢上各有一排交错排列的螺栓孔 孔径d 21 5mm 解 先将其中的一个角钢截面展开 并比较截面 和 哪个危险截面 两截面厚度均为10mm 净截面宽度 净截面宽度 由于 因此 截面为危险截面 于是 因此 轴心拉杆满足强度要求 16 4 1 2轴心受拉构件的强度计算和刚度验算 刚度验算 4 2 式中 长细比l0 计算长度 拉杆一般取l0 l l为节点中心间距 i 截面的回转半径 l 受拉构件的容许长细比 受拉构件的容许长细比 17 4 1 3轴心受压构件强度 稳定计算和刚度验算 强度计算 式中 N 轴压力设计值An 截面的静面积f 抗压强度设计值 p336 附录一 4 3 18 4 1 3轴心受压构件强度 稳定计算和刚度验算 整体稳定性 4 6 式中A 截面的毛面积j 稳定系数 与 截面分类 钢材屈服强度 有关 按附录三取用 构件长细比 对格构柱换算长细比 复杂 截面分类 abcd四类 按截面的形状和尺寸 加工条件 强弱轴不同而区分 主要考虑残余应力和初弯矩影响 p83 19 算例 验算下图 P85 所示结构中两端铰接的轴心受压柱AB的整体稳定 该柱所承受的压力设计值N 1000kN 柱计算长度lx 4 2m ly 2 1m 柱截面为焊接工字形 具有轧制边翼缘 其截面尺寸 翼缘2 10 220 腹板为1 6 200 由Q235A钢制作 已知 N 1000kN 抗压强度设计值f 215N mm2 解 1 计算截面几何特征毛截面面积 截面惯性矩 截面回转半径 20 2 压杆的长细比及稳定系数 算例 根据柱截面的组成条件 由表4 2 P84 可知 该截面对强轴属于b类 由附表3 2查得 jx 0 885 对弱轴属于c类 由附表3 3查得jy 0 856 3 整体稳定性验算 满足要求 21 4 1 3轴心受压构件强度 稳定计算和刚度验算 局部稳定性控制板件的宽 高 厚比 4 7 I形翼缘板自由外伸宽厚比 式中b1 翼缘板自由外伸宽度 t 翼缘板 肢 厚度 fy 钢材的屈服强度 N mm2 lmax 构件两方向长细比的较大值 当lmax100 取lmax 100 I形腹板高厚比 式中h0 腹板计算高度 tw 腹板厚度 4 8 22 4 1 3轴心受压构件强度 稳定计算和刚度验算 局部稳定性控制板件的宽 高 厚比 箱形翼缘板自由外伸宽厚比 式中b0 翼缘板自由外伸宽度 t 翼缘板 肢 厚度 fy 钢材的屈服强度 N mm2 箱形腹板高厚比 式中h0 腹板计算高度 tw 腹板厚度 4 9 23 4 1 3轴心受压构件强度 稳定计算和刚度验算 局部稳定性控制板件的宽 高 厚比 4 10 圆管外径与壁厚之比 式中D 圆管外径 t 圆管壁厚 fy 钢材的屈服强度 N mm2 D t 24 4 1 3轴心受压构件强度 稳定计算和刚度验算 刚度验算 4 11 4 12 4 13 式中 l 受拉构件的容许长细比 见表4 4 P88 一般杆件 l 150 次要压杆 l 200 l 长细比 钢结构一般有两个长细比 设计要求同时不超过 25 4 1 4实腹式轴心受压构件的设计 实腹式轴压柱截面选择与构造 单角钢适用于塔架 桅杆 起重机臂杆或轻便桁架双角钢适用于平面桁架轧制宽翼缘工字钢适用于中点有侧向支撑的独立支柱焊接工字形截面根据等稳度和局部稳度要求设计截面尺寸十字形截面适用于重型轴心受压柱圆形截面主要是焊接圆管 多应用于海洋平台方管或箱形截面刚度和承载能力都较大 多用于高大的承重支柱 冷弯薄壁型钢截面轻型钢结构的压杆 26 4 1 4实腹式轴心受压构件的设计 截面设计步骤 原则等稳定性 宽肢薄壁 构造简单具体步骤 假定柱的 60 100 由截面形式与加工条件确定截面分类 结合假定的 按附录三确定相应的压杆稳度性系数jxjy 用较小的j按照整体稳度性计算公式计算所需截面面积及回转半径ix iy 按A ix iy确定型钢型号或利用回转半径与截面轮廓尺寸近似关系 表4 5 确定h b 从而获得初选截面 截面验算 强度 刚度 整体稳定 局部稳定 27 4 1 4实腹式轴心受压构件的设计 截面设计算例 选用Q235钢的热轧普通工字钢 作为上下两端均为铰接的支撑结构的支柱 支柱长度为12m 在两个三分点处有侧向支撑 以阻止支柱在弱轴方向过早失稳 见图4 18 P91 支柱承受最大的压力设计值N 150kN 其容许长细比 l 200 试按截面面积An A进行此轴心压杆的截面设计 已知 l0 x 12m loy 4m N 150kN f 215N mm2 1 假定取柱的长细比l 150 由附表3 1和附表3 2分别查得对截面强轴的和弱轴的稳定系数jx 0 339 jy 0 308 2 按长细比l 150计算为所需的截面面积和回转半径 28 截面设计算例 3 确定工字钢型号初选I20a 且b h 100 200 0 5 0 8 截面类别 对x轴为a类 对y轴为b类 查表得A 35 5cm2 ix 8 15cm iy 2 12cm 4 验算支柱的整体稳定性和刚度 查附表3 1和3 2分布查得 jx 0 35 jy 0 207 取较小值j 0 207 进行整体稳定计算 29 截面设计算例 满足要求