钢结构第三章剖析

1、钢结构第三章剖析 第第3 3章章 构件的截面承载力构件的截面承载力 轴心受力构件的强度 拉弯、压弯构件的强度 按强度条件设计构件截面 钢结构第三章剖析 3.1 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 应用应用：主要承重结构、平台、支柱、 支撑等 截面形式截面形式 3.1.1 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 热轧型钢截面热轧型钢截面 热轧型钢截面 钢结构第三章剖析 冷弯薄壁型钢截面冷弯薄壁型钢截面 冷弯薄壁型钢截面冷弯薄壁型钢截面 钢结构第三章剖析 型钢和钢板的组合截面型钢和钢板的组合截面 实腹式组合截面实腹式组合截面 格构式组合截

2、面格构式组合截面 钢结构第三章剖析 对截面形式的要求对截面形式的要求 能提供强度所需要的截面积 制作比较简便 便于和相邻的构件连接 截面开展而壁厚较薄 钢结构第三章剖析 3.1.2 3.1.2 轴心受拉构件的强度轴心受拉构件的强度 钢材的应力应变关系钢材的应力应变关系 计算准则计算准则：毛截面 平均应力不超过fy 承载极限承载极限： 截面平均应力达到fu ，但缺少安 全储备；毛截面平均应力达fy ，结构变形过大 钢结构第三章剖析 应力集中现象应力集中现象 孔洞处截面应力分布孔洞处截面应力分布 (a) 弹性状态应力弹性状态应力 (b) 极限状态应力极限状态应力 钢结构第三章剖析 设计准则：设计准

3、则：净截面平均应力不超过fy 设计公式：设计公式： n N f A yR /ff钢材的抗拉强度设计值 ！对高强螺栓摩擦型连接，净截面强度验算要考虑对高强螺栓摩擦型连接，净截面强度验算要考虑 孔前传力的影响。孔前传力的影响。 3.1.3 3.1.3 轴心受压构件的强度轴心受压构件的强度 强度计算与轴心受拉一样，一般其承载力由稳定控制 钢结构第三章剖析 3.1.4 3.1.4 索的受力性能与强度计算索的受力性能与强度计算 钢索是一种特殊的受拉构件，广泛用于悬索结构、张拉 结构、桅杆纤绳和预应力结构。 索的基本假定： 1、索是理想柔性的，不能受压，也不能抗弯。 2、索的材料符合虎克定律。 钢索的强度

4、计算，目前国内外都采用容许应力法计算， K f A N kk max K为安全系数，一般取2.53.0 钢结构第三章剖析 3.2 3.2 梁的类型和强度梁的类型和强度 分类分类： 3.2.1 3.2.1 梁的类型梁的类型 钢梁类型钢梁类型 按制作方式分：型钢梁和组合梁 钢结构第三章剖析 楔形梁楔形梁 按梁截面沿长度有无变化分：等截面梁和变截面梁 蜂窝梁蜂窝梁 钢结构第三章剖析 双向弯曲梁双向弯曲梁 按受力情况分：单向弯曲梁和双向弯曲梁 (a) 屋面檩条屋面檩条 (b) 吊车梁吊车梁 钢结构第三章剖析 预应力梁 基本原理：受拉 侧设置高预拉力的钢 筋，使梁受荷前反弯 曲。 制作、施工过程 复杂。

5、 预应力梁预应力梁 钢结构第三章剖析 梁的极限承载能力包括：梁的极限承载能力包括： 截面的强度：弯、剪、扭及综合效应。 构件的整体稳定 板件的局部稳定 直接受重复荷载时，疲劳 梁的应用范围梁的应用范围： 房屋建筑和桥梁工程。 如楼盖梁、平台梁、吊车梁、檩条及大跨斜拉桥、 悬索桥中的桥面梁等。 钢结构第三章剖析 梁的正应力梁的正应力： 3.2.2 3.2.2 梁的弯曲、剪切强度梁的弯曲、剪切强度 梁的梁的M -曲线曲线应力应力-应变关系简图应变关系简图 钢结构第三章剖析 正应力发展的四个阶段正应力发展的四个阶段： 梁的正应力分布梁的正应力分布 (a) 弹性工作阶段：疲劳计算、冷弯薄壁型钢 (b)

6、 弹塑性工作阶段：一般受弯构件 (c) 塑性工作阶段：塑性铰 (d) 应变硬化阶段：一般不利用 钢结构第三章剖析 弹性工作阶段 Me=Wnfy 塑性工作阶段 Mp=Wpnfy Wpn= S1n+ S2n 弹塑性阶段 F=Wp/W 各阶段最大弯矩各阶段最大弯矩： ！对矩形截面对矩形截面F=1.5; 圆形截面圆形截面F=1.7; 圆管截面圆管截面F=1.27; 工字形截面对轴工字形截面对轴 在在1.10和和1.17之间之间 钢结构第三章剖析 ！截面塑性发展系数：截面塑性发展系数： x和 y，取值 1.01.2之间。如工 字形截面x =1.05， y=1.2；箱形截面 x= y=1.05 截面简图截

7、面简图 钢结构第三章剖析 GB50017计算公式：计算公式： 单向弯曲时单向弯曲时 x xnx M f W 双向弯曲时双向弯曲时 y x xnxyny M M f WW ！对于对于 x和和 y： (1) 疲劳计算取1.0; (2) 取1.0。 y1y 13 235/15 235/fb tf 钢结构第三章剖析 塑性设计时：塑性设计时： xpn MWf x enx M f W GB50018 GB50018计算公式计算公式： y x enxeny M M f WW 单向弯曲时单向弯曲时 双向弯曲时双向弯曲时 钢结构第三章剖析 梁的剪应力梁的剪应力： 弯曲剪应力分布弯曲剪应力分布 v w VS f

8、It 钢材的抗剪强度设计值 v f S计算剪应力 处以上毛截面对中 和轴的的面积矩 钢结构第三章剖析 3.2.3 3.2.3 梁的扭转梁的扭转 扭转形式：扭转形式：自由扭转和约束扭转 梁的扭转梁的扭转 钢结构第三章剖析 自由扭转自由扭转 st MGI maxst /M t I 3 t /3Ibt 对于矩形截面杆件，当bt时 矩形截面杆件的矩形截面杆件的 扭转剪应力扭转剪应力 I t扭转常数或扭转惯性矩 钢结构第三章剖析 对于矩形组合开口薄壁截面 3 t 1 /3 n i i i Ibt 薄板组合截面薄板组合截面 扭转剪力和扭矩扭转剪力和扭矩 钢结构第三章剖析 对于热轧型钢开口截面，考虑圆角影响

9、 3 t 1 /3 n i i i Ikbt 系数系数 k 钢结构第三章剖析 对于闭口截面 It1:500 , 30:1 闭合截面的循环剪力流闭合截面的循环剪力流 截面面积相同的两种截面截面面积相同的两种截面 t ds /AI 2 t 4 钢结构第三章剖析 约束扭转约束扭转: 翘曲变形受到约束的扭转 悬臂工字梁的约束扭转悬臂工字梁的约束扭转 钢结构第三章剖析 Ts MMM stt MGIGI f MV hEI Tt MGIEI扭矩平衡方程扭矩平衡方程 其中 扭转剪应力分布扭转剪应力分布上翼缘的内力上翼缘的内力 钢结构第三章剖析 约束扭转正应力约束扭转正应力 f fy 2 Mhx xE I B

10、W B 双弯矩（双力矩） 对工形截面梁 对冷弯槽钢等非双轴对称梁 钢结构第三章剖析 3.3.13.3.1 局部压应力局部压应力 3.33.3 梁的局部压应力和组合应力梁的局部压应力和组合应力 局部压应力作用局部压应力作用 钢结构第三章剖析 c w z F f t l 式中 集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁 取 =1.35，其他取 = 1.0 zyR 52lahh zy 2.5lah lz 压应力分布长度 钢结构第三章剖析 3.3.2 多种应力的组合效应多种应力的组合效应 一个截面上弯矩和剪力都较大时，需要考虑组合效应 梁的弯剪应力组合梁的弯剪应力组合 钢结构第三章剖析 222 cc1 3f

11、 式中 1 与 c异号时取1.2，同号时取1.1 enx MB f WW 当横向荷载不通过剪心时： 22 31.1f 验算公式： 钢结构第三章剖析 3.4.1 3.4.1 初选截面初选截面 3.4 3.4 按强度条件选择梁截面按强度条件选择梁截面 型钢梁型钢梁 x nx x M W f HW4144051828，Wx=4490cm3，g=233kg/m HM5943021423，Wx=4620cm3，g=175kg/m HN6923001320，Wx=4980cm3，g=166kg/m 钢结构第三章剖析 焊接组合截面梁焊接组合截面梁 截面高度截面高度 容许最大高度hmax 容许最小高度hmin

12、 hmin=nl/6000 经济高度he 3 ex 730 (cm)hW hminhhmax，hhe 焊接梁截面焊接梁截面 钢结构第三章剖析 均布荷载作用下简支梁的最小高度均布荷载作用下简支梁的最小高度hmin 钢结构第三章剖析 腹板高度腹板高度hw 腹板高度hw比h略小。 腹板厚度腹板厚度tw 抗剪w wv V t h f 可取1.21.5 局部稳定 w w (cm) 11 h t 焊接梁截面焊接梁截面 钢结构第三章剖析 翼缘尺寸翼缘尺寸b和和t 所需截面模量为： 32 xw1 xw 21 6 Ihh Wtbt hhh 初选时取hh1hw xww w 6 Wt h bt h 考虑局部稳定，通

13、常取b=25t，且h/2.5bh/6。 焊接梁截面焊接梁截面 钢结构第三章剖析 3.4.2 3.4.2 截面验算截面验算 验算时要包含自重产生的效应 强度强度 弯曲正应力弯曲正应力 单向弯曲时 x xnx M f W 双向弯曲时 y x xnxyny M M f WW 钢结构第三章剖析 剪应力剪应力 v w VS f It 局部压应力局部压应力 c w z F f t l 折算应力折算应力 22 31.1f 222 cc1 3f 钢结构第三章剖析 3.4.3 3.4.3 梁截面沿长度的变化梁截面沿长度的变化 弯矩 剪力 加工因素 不考虑整体稳定 变截面梁变截面梁 变梁截面考虑的因素：变梁截面考

14、虑的因素： 两种变化方式两种变化方式 变截面高度 变翼缘面积 钢结构第三章剖析 变翼缘面积变翼缘面积 变翼缘宽度 变翼缘厚度 变宽度梁变宽度梁 变高度梁变高度梁 钢结构第三章剖析 端部有正面角焊缝时： hf0.75t, l1b；hf0.75t, l11.5b 端部无正面角焊缝时： l12b 变翼缘厚度 切断外层翼缘板的梁切断外层翼缘板的梁 钢结构第三章剖析 3.6.1 拉弯、压弯构件的应用拉弯、压弯构件的应用 3.6 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 拉弯构件拉弯构件 应用：屋架受节间力下弦杆 承载能力极限状态 截面出现塑性铰(格构式 或冷弯薄壁型钢为截面边

15、缘纤维屈 服)、整体失稳、局部失稳 正常使用极限状态 刚度：限值长细比 拉弯构件拉弯构件 钢结构第三章剖析 截面形式 热轧型钢截面热轧型钢截面冷弯薄壁型钢截面冷弯薄壁型钢截面 组合截面组合截面 钢结构第三章剖析 压弯构件压弯构件 应用： 厂房框架柱、多 高层建筑框架柱、屋 架上弦 压弯构件压弯构件 截面形式 双轴对称截面：同 拉弯构件 单轴对称截面：受 弯矩较大时采用 钢结构第三章剖析 压弯构件的单轴对称截面压弯构件的单轴对称截面 钢结构第三章剖析 变截面压弯构件变截面压弯构件 (a) 阶形柱阶形柱 (b)楔形柱楔形柱 变截面柱: 高大 厂房常用 钢结构第三章剖析 压弯构件极限状态压弯构件极限

16、状态 承载能力极限状态 强度: 端弯矩很大或截面有较大削弱 平面内弯曲失稳 平面外弯扭失稳 局部稳定 正常使用极限状态 刚度: 限制长细比 压弯构件整体破坏形式压弯构件整体破坏形式 强度破坏、弯曲失稳、弯扭失稳 钢结构第三章剖析 3.6.2 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 强度极限状态：强度极限状态： （静载、实腹式构件） 受力最不利截面出现塑性铰时 压弯构件截面的受力状态压弯构件截面的受力状态 钢结构第三章剖析 00 0P d222 yy A yy NAy bfbhfN hh 222 00 00P 22 d1414 224 yy A hhbhyy My Abyy

17、ffM hh 截面出现塑性铰时的应力分布截面出现塑性铰时的应力分布 强度计算公式推导：强度计算公式推导：以矩形截面为例 钢结构第三章剖析 2 P P 1 NM NM 引入： 偏于安全且计算简便，以直线关系表示 PP 1 NM NM 压弯构件强度计算相关曲线压弯构件强度计算相关曲线 yyP bhfAfN 全截面屈服压力 y 2 yPP 4 f bh fWM 全截面的塑性铰弯矩 则有 钢结构第三章剖析 强度计算准则：强度计算准则： 边缘屈服准则：GB50018规范采用 全截面屈服准则：塑性设计 部分发展塑性准则：GB50017规范采用 nxnx NM f AW y x nxnxyny M NM f AWW 双向压弯（拉弯）构件 单向压弯（拉弯）构件 GB50017规范规定：规范规定： 钢结构第三章剖析 截面塑性发展系数截面塑性发展系数 x、 、 y值 值 钢结构第三章