《轴心受力构件知识》PPT课件

轴心受力构件 轴心受力构件截面形式 a 型钢截面 b 实腹式组合截面 c 格构式组合截面 轴心受力构件强度 对截面无削弱的构件 其承载力的极限状态应控制其毛截面的平均应力不超过材料屈服强度 即 对截面有局部削弱的构件 应控制构件净截面上的平均应力不超过材料抗拉强度 根据 钢结构设计规范 50017 2003 规定 抗力分项系数 为简化计算 方便使用 按偏安全的原则 钢结构设计规范 50017 2003 统一取屈强比为0 8 因此对轴心受力构件 强度计算式统一为 轴心受力构件刚度 正常使用极限状态要求轴心受拉构件和轴心受压构件应具有一定的刚度 以保证构件在运输和安装过程中 不会产生过大的挠曲变形或在动荷载作用下产生晃动 为此 通过限制构件的长细比来保证其具有足够的刚度 限制条件是 轴心受压构件的强度 轴心受压构件的强度承载力设计值 轴心受压构件的强度设计应满足 实际轴心压杆的整体稳定 实际轴心受压构件的稳定承载力不再是长细比的唯一函数 由于初始缺陷的存在 使得杆件受力时就发生极值型失稳 欧拉公式是研究受压杆件稳定性的基本公式 但由于受焊接应力 初弯曲 初偏心等各种缺陷的影响 欧拉公式不能直接用于受压杆件的稳定计算 还必须考虑各种缺陷对杆件稳定承载力的影响 分析时可用初弯曲来模拟初偏心的影响 即用一种缺陷代替两种缺陷的影响 对普通钢结构 通常只考虑影响最大的焊接应力和初弯曲两种缺陷 尽管可作上述简化 实际受压杆件的稳定分析仍很复杂 目前 世界各国均采用理论与试验相结合的方法得到的多柱子曲线来进行受压杆件的稳定计算 轴心压杆稳定承载力计算分析 轴心受压构件整体稳定性计算公式 根据轴心受压构件的整体稳定临界应力应不小于其轴心压应力的原则 再考虑抗力分项系数即 此即 钢结构设计规范 规定轴心受压构件整体稳定的计算式 式中 轴心压力设计值 构件毛截面积 钢材抗压强度设计值 称为轴心受压构件整体稳定系数 美国柱子研究委员会 CRC 根据里海 lehigh 大学对112根压杆的计算和试验研究结果 提出了三条柱子曲线 这三条柱子曲线分别代表了30 70 和12条压杆的承载力曲线 欧洲钢结构协会 ECCS 对1000多根压杆进行了理论分析和试验结果统计分析 提出五条柱子曲线 我国对常用构件的截面形式 按照不同尺寸 不同加工条件及相应焊接应力分布情况进行分类研究 并根据安全 经济 实用三原则和数理统计结果 取每类柱子曲线的平均值绘制成四条柱子曲线 分别代表了四类杆件截面类型 轴心压杆的多柱子曲线 轴心受压柱子曲线 截面为双轴对称或极对称的构件 弯曲屈曲 对于单轴对称截面 由于截面形心与剪切中心不重合 绕对称轴失稳时还伴随扭转 在相同条件下 弯扭失稳临界力比弯曲失稳临界力低 此时 用换算长细比代替 实际应用中多采用简化计算公式 截面为单轴对称的构件 弯扭屈曲 格构式构件一般由两个或多个分肢用缀件联系组成 采用较多的是两分肢格构式构件 格构式构件截面中 通过分肢腹板的主轴叫实轴 通过分肢缀件的主轴叫虚轴 缀件通常设置在分肢的翼缘两侧平面内 其作用是将各分肢连成整体 使其共同受力 并承受绕虚轴弯曲时产生的剪力 格构式轴心受压构件的组成 格构式轴心受压构件 格构式双肢柱有两个并列的实腹式杆件 故对其绕实轴失稳的整体稳定承载力计算与实腹式相同 直接用对实轴的长细比查稳定性系数 按轴心受压整体稳定计算公式计算即可 格构式轴心受压构件绕实轴的整体稳定 格构式压杆绕虚轴失稳时 其整体稳定性与实腹式不完全相同 需要在考虑剪力作用下柱肢和缀板变形的影响 对于格构式轴心受压柱 当绕虚轴弯曲失稳时 构件弯曲所产生的横向剪力作用在缀件上 由于缀件较细 缀件自身变形对构件弯曲变形的影响不能忽略 格构式轴心受压构件绕虚轴的整体稳定 考虑了剪切变形的欧拉临界力计算公式为 换算长细比 单位剪力作用下的剪切角度 在剪力V 1作用下 斜缀条的伸长量 d为 轴心受压构件整体失稳的极限承载能力Ncr不论是双轴对称实腹截面还是单轴对称实腹截面或者格构式截面 均可以按照下列公式统一计算 轴心受压柱的整体稳定计算 在工程设计中 则可以写成 设计时 应该保证轴心受压轴力值N小于等于整体失稳时的极限承载力设计值 轴心受压构件的长细比 1 双轴对称截面 2 单轴对称截面 换算长细比公式5 40 3 格构式构件绕虚轴弯曲失稳 换算长细比 按照表5 5计算 算例 1 实腹式轴心受压构件是靠腹板和翼缘来承受轴向压力的 当腹板和翼缘较薄时 在轴向压力作用下 腹板和翼缘都有可能达到临界承载力而丧失稳定 这种失稳通常发生在构件的局部 因此称为局部失稳 实腹式轴心受压构件的局部稳定 腹板失稳 翼缘失稳 轴心受压实腹构件中板件的分类 加劲板件非加劲板件部分加劲板件 单向均匀受压矩形板的稳定 四边简支矩形板 板的临界压力 板的屈曲系数 x方向的半波数m随着a b的增大而增加 尤其是当a b 4时 板的屈曲系数k趋向于4 则板的临界力公式为 三边简支 与压力平行的一边为自由的矩形板 较长板的屈曲系数k为 很长板的屈曲系数k为 正交异性板的临界应力为 三边简支 与压力平行的一边有卷边的矩形板 屈曲系数k为 其它支承情况的矩形板屈曲系数k 与压力平行的二边为固定时 与压力平行的一边为固定 一边为简支时 与压力平行的一边为固定 一边为自由时 自由外伸翼缘宽厚比的限值 1 实腹式轴压构件自由外伸翼缘宽厚比限值的验算式 腹板高厚比的限值 2 实腹式轴压构件腹板高厚比的限值的验算式 3 实腹式轴压钢管截面尺寸限值的验算式 实腹式轴心受压构件设计 设计原则 1 等稳定性原则 2 宽肢薄壁 3 制造省工 4 连接方便 截面设计 1 初选截面 1 假定长细比 2 根据所选压杆截面类型查 计算所需截面面积 3 计算截面所需的回转半径和 2 确定型钢型号或组合截面各板尺寸 若用型钢 可根据所需的 值 直接在型钢表中选择对应参数相近的 合适的型钢 若用组合截面 应根据各种截面回转半径与截面轮廓尺寸的近似关系计算所需的近似轮廓尺寸和 另外 初选截面尺寸时 还应考虑到钢材规格和局部稳定的需要 制造 焊接工艺的需要 以及宽肢薄壁 连接方便等原则 3 验算 1 强度验算 按照式5 3计算 2 刚度验算 一般应按两个主轴方向进行 其中为初选截面对应方向的回转半径 按照式5 94计算 4 局部稳定验算 对于各种焊接组合截面 分别按表5 7进行 而对于各种规格的型钢 均已满足局部稳定条件 不需再进行局部稳定验算 3 整体稳定性验算 须同时考虑两个主轴方向 但一般可取其中长细比较大值进行 为毛截面面积 按照式5 47计算 4 有关构造要求 当 形或箱形截面柱的翼缘自由外伸宽厚比不满足表5 7时 可采用增大翼缘板厚的方法 但对腹板 当其高厚比不满足 常沿腹板腰部两侧对称设置沿轴向的加劲肋 称为纵向加劲肋 加劲肋的厚度 不小于0 75 外伸宽度不小于 设置纵向加劲肋后 应根据新的腹板高度重新验算腹板的高厚比 当实腹式H型截面柱腹板高厚比大于或等于80时 在运输和安装过程中可能产生扭转变形 为此 常在腹板两侧上下翼缘间 垂直于腹板对称设置加劲肋 称为横向加劲肋 实腹式轴心受压柱的纵向焊缝 腹板与翼缘之间的连接焊缝 主要起连接作用 受力很小 一般不作强度验算 可按构造要求确定焊缝尺寸 格构式轴心受压构件的局部稳定 轴心受压缀条格构构件的局部稳定 受压构件单肢截面板件的局部稳定受压构件单肢自身的稳定缀条的稳定 轴心受压缀板格构构件的局部稳定 受压构件单肢截面板件的局部稳定受压构件单肢自身的稳定缀板的稳定 受压缀条 缀板自身的稳定 格构式受压构件的分支可以看作单独的实腹式轴心受压杆件 因此应保证它不先于构件整体失去承载能力 计算时不能简单地采用 这是因为由于初弯曲等缺陷的影响 可能使构件受力时呈弯曲状态 从而产生附加弯矩和剪力 附加弯矩使两个分肢产生弯矩 另外 分肢截面的分类还可能比整体低 这些都使分肢的稳定承载能力降低 所以 设计规范 规定 缀条构件 缀板构件 且不应大于40 缀条的稳定性设计 格构式轴心受压构件的横向剪力为 缀条的布置一般采用单系缀条 为减小分肢的计算长度 单系缀条中也可以加横缀条 当肢件间距较大或荷载较大以及有动荷载作用时 常采用交叉缀条 在横向剪力作用下 一个斜缀条的轴心压力为 若不考虑扭转效应 按 钢结构设计规范 50017 2003 规定 应将钢材强度设计值乘以折减系数后按轴心受压验算强度和稳定性 分配到一个缀条面上的剪力 承受剪力的斜缀条数 单系缀条时 交叉缀条时 缀条的水平倾角 缀板的稳定性设计 缀板计算简图 剪力 弯矩 式中 肢件轴线间的距离 缀板中心间距 缀板应有一定刚度要求 同一截面处两侧缀板线刚度之和不得小于一个分肢线刚度的6倍 一般取宽度 厚度且不小于6 构件端部第一缀板应适当加宽 一般 首先应根据使用要求 轴力大小 两主轴方向计算长度等条件确定格构形式和钢材牌号 一般中小型柱常用缀板柱 大型柱宜用缀条柱 1 初选肢件 对实轴的计算 格构式轴心受压柱的设计 2 确定分肢间距 对虚轴的计算 由等稳定性要求 设 为附录6中相应格构截面的系数 由b即可确定两肢间距 一般按10 进级 且分肢间的净距宜大于100 以便内部刷漆 一般按预选缀材角钢 可按且不大于40代入计算 以