钢结构制造与安装单元三

1、钢结构制作与安 装教案 单元三 钢结构构件 单元单元3 3 钢钢 结结 构构 构构 件件 单元概述：单元概述：本单元讲述了轴心受力构件的强度、刚本单元讲述了轴心受力构件的强度、刚 度、稳定计算；受弯构件的强度、刚度、稳定计算；度、稳定计算；受弯构件的强度、刚度、稳定计算； 拉弯和压弯构件的强度、刚度、稳定计算。拉弯和压弯构件的强度、刚度、稳定计算。 学习目标：学习目标：通过本单元的学习、训练，学生应掌握通过本单元的学习、训练，学生应掌握 轴心受力构件的基本计算方法；掌握受弯构件的基轴心受力构件的基本计算方法；掌握受弯构件的基 本计算方法；了解拉弯和压弯构件的基本计算方法。本计算方法；了解拉弯和

2、压弯构件的基本计算方法。 单元三单元三 钢结构构件钢结构构件 课题课题1 1 轴心受力构件轴心受力构件 课题课题2 2 受弯构件受弯构件 课题课题3 3 拉弯和压弯构件拉弯和压弯构件 课题课题1 1 轴心受力构件轴心受力构件 1.概述 轴心受力构件包括轴心受拉构件与轴心受压构件。 在钢结构中，此类构件的应用十分广泛，例如桁 架、塔架和网架、网壳等杆件体系。通常假设它 的节点为铰接连接，当无节间荷载作用时，只受 轴向拉力和轴向压力的作用。 2 2、轴心受力构件的截面形式、轴心受力构件的截面形式 一般分为两类，第一类是热轧型钢截面（一般分为两类，第一类是热轧型钢截面（a a）；第二类）；第二类 是

3、型钢组合截面（图是型钢组合截面（图b b）或格构式组合截面（）或格构式组合截面（c c）。）。 图（图（a）热轧型钢截面）热轧型钢截面 图（图（b）型钢组合截面）型钢组合截面 图（图（c）格构式组合截面）格构式组合截面 图（图（a a）热轧型钢截面，一般用于受力较小的杆件。）热轧型钢截面，一般用于受力较小的杆件。 其中圆钢回转半径最小，多用作拉杆，作压杆时用于格构其中圆钢回转半径最小，多用作拉杆，作压杆时用于格构 式压杆的弦杆。钢管的回转半径较大、对称性好、材料利式压杆的弦杆。钢管的回转半径较大、对称性好、材料利 用率高，拉、压均可。大口径钢管一般用作压杆。型钢的用率高，拉、压均可。大口径钢管

4、一般用作压杆。型钢的 回转半径存在各向异性，作压杆时有强轴和弱轴之分，材回转半径存在各向异性，作压杆时有强轴和弱轴之分，材 料利用率不高，但连接较为方便，单价低。料利用率不高，但连接较为方便，单价低。 图（图（b)b)型钢组合截面，改善了单型钢截面的稳定各向型钢组合截面，改善了单型钢截面的稳定各向 异性特征，受力较好，连接也较方便异性特征，受力较好，连接也较方便 图（图（c) c) 类为格构式截面，其回转半径大且各向均匀，类为格构式截面，其回转半径大且各向均匀， 用于较长、受力较大的轴心受力构件，特别是压杆。但其用于较长、受力较大的轴心受力构件，特别是压杆。但其 制作复杂，辅助材料用量多。制作

5、复杂，辅助材料用量多。 H H型钢的宽度与高度相同时对强轴的回转半径约为型钢的宽度与高度相同时对强轴的回转半径约为 弱轴回转半径的弱轴回转半径的2 2倍，对于在中点有侧向支撑的独立柱最倍，对于在中点有侧向支撑的独立柱最 适合。适合。 焊接工字形截面制造简单，其腹板按局部稳定的要焊接工字形截面制造简单，其腹板按局部稳定的要 求可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。为使翼缘与腹求可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。为使翼缘与腹 板便于焊接，截面的高度和宽度应大致相同。板便于焊接，截面的高度和宽度应大致相同。 十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的，十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的， 对

6、于重型中心受压柱，当两个方向的计算长度相同时，这对于重型中心受压柱，当两个方向的计算长度相同时，这 种截面最为有利。种截面最为有利。 方管或由钢板焊成的箱形截面，承载能力和刚度都方管或由钢板焊成的箱形截面，承载能力和刚度都 较大，但连接构造复杂，常用作高大的承重支柱。较大，但连接构造复杂，常用作高大的承重支柱。 确定轴心受力构件截面形式的原则：确定轴心受力构件截面形式的原则： 能提供强度所需要的截面面积；能提供强度所需要的截面面积； 制作简便；便于和相邻构件连接；制作简便；便于和相邻构件连接； 截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。 （1 1）轴心受力构件强度

7、计算）轴心受力构件强度计算 轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的平均应力轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的平均应力 达到钢材的屈服强度达到钢材的屈服强度y y。 轴心受力构件的强度按下式验算：轴心受力构件的强度按下式验算： 式中式中 N N构件的轴心拉力或压力设计值；构件的轴心拉力或压力设计值； A An n构件的净截面面积；构件的净截面面积； 钢材的抗拉或抗压强度设计值。钢材的抗拉或抗压强度设计值。 2 2、 轴心受力构件的强度与刚度轴心受力构件的强度与刚度 f A N n （2 2）刚度验算）刚度验算 轴心受力构件的刚度是以其长细比来衡量的。轴心受力构件的刚度是以其长细比来衡

8、量的。 轴心受力构件的刚度按下式验算：轴心受力构件的刚度按下式验算： 式中式中 构件最不利方向的长细比；构件最不利方向的长细比； I I 相应方向的截面回转半径；相应方向的截面回转半径； 构件的容许长细比。构件的容许长细比。 i l0 控制刚度的原因：控制刚度的原因： 长细比过大容易使构件在制造、运输和吊装过程中长细比过大容易使构件在制造、运输和吊装过程中 产生弯曲或过大的变形；产生弯曲或过大的变形； 长细比过大会使构件在使用期间因其自重而明显下长细比过大会使构件在使用期间因其自重而明显下 挠；挠； 长细比过大会使构件在动力荷载作用下会发生较大长细比过大会使构件在动力荷载作用下会发生较大 振动

9、；振动； 长细比过大会使构件可能使得构件的极限承载力显长细比过大会使构件可能使得构件的极限承载力显 著降低；著降低； 长细比过大会使构件初弯曲和自重产生的挠度也将长细比过大会使构件初弯曲和自重产生的挠度也将 对构件的整体稳定带来不利影响。对构件的整体稳定带来不利影响。 3.3.轴心拉杆的设计轴心拉杆的设计 钢材比其他材料更适合于受拉，因此钢拉杆不钢材比其他材料更适合于受拉，因此钢拉杆不 但用于钢结构，还用于钢与钢筋混凝土或木材的组但用于钢结构，还用于钢与钢筋混凝土或木材的组 合结构中。受拉构件没有整体稳定和局部稳定的问合结构中。受拉构件没有整体稳定和局部稳定的问 题，极限承载力一般由强度控制，

10、所以，设计时只题，极限承载力一般由强度控制，所以，设计时只 考虑强度和刚度。考虑强度和刚度。 钢结构设计规范钢结构设计规范规定：单规定：单 面连接单角钢按轴心受力计算强度和连接时，其强面连接单角钢按轴心受力计算强度和连接时，其强 度设计值降低度设计值降低1515，即应乘以，即应乘以0.850.85的折减系数的折减系数 4.4.轴心受压构件的整体稳定轴心受压构件的整体稳定 稳定性验算的重要性：若结构或构件处于不稳定状态时，稳定性验算的重要性：若结构或构件处于不稳定状态时， 轻微扰动就将使结构或其组成构件产生很大的变形而最终丧轻微扰动就将使结构或其组成构件产生很大的变形而最终丧 失承载能力失承载能

11、力, ,这种现象称为失去稳定性。在钢结构工程事故这种现象称为失去稳定性。在钢结构工程事故 中，因失稳导致破坏者十分常见。中，因失稳导致破坏者十分常见。 近几十年来，由于结构形式的不断发展和高强钢材的应近几十年来，由于结构形式的不断发展和高强钢材的应 用，使构件更加轻型而薄壁，更容易出现失稳现象，因而对用，使构件更加轻型而薄壁，更容易出现失稳现象，因而对 钢结构稳定性的验算显得特别重要。钢结构稳定性的验算显得特别重要。 在轴心受力构件中，对于轴心受拉构件，由在轴心受力构件中，对于轴心受拉构件，由 于在拉力作用下，构件总有拉直绷紧的倾向，其于在拉力作用下，构件总有拉直绷紧的倾向，其 平衡状态总是稳

12、定的，不必进行稳定性验算。平衡状态总是稳定的，不必进行稳定性验算。 对于轴心受压构件，截面若没有孔洞削弱，对于轴心受压构件，截面若没有孔洞削弱， 一般不会因强度不足而丧失承载能力，但当其长一般不会因强度不足而丧失承载能力，但当其长 细比较大时，稳定性是导致其破坏的主要因素。细比较大时，稳定性是导致其破坏的主要因素。 因此可以说，轴心受压构件往往是由其稳定性来因此可以说，轴心受压构件往往是由其稳定性来 确定构件截面的。确定构件截面的。 f A N 式中式中N N 轴心受压构件的压力设计值；轴心受压构件的压力设计值； A A 构件的毛截面面积；构件的毛截面面积； 钢材的抗压强度设计值；钢材的抗压强

13、度设计值； 轴心受压构件的整体稳定系数。轴心受压构件的整体稳定系数。 (1)(1)轴心受压构件的整体稳定验算轴心受压构件的整体稳定验算 轴心受压构件的整体稳定性按下式验算轴心受压构件的整体稳定性按下式验算: : 整体稳定系数整体稳定系数 值应根据截面分类（值应根据截面分类（a a、b b、c c三类）和构三类）和构 件的长细比件的长细比 以及所采用的钢的牌号，按附表以及所采用的钢的牌号，按附表2-1(a2-1(a、 b b、c c、d)d)查出。查出。 构件的长细比按照下列规定确定：构件的长细比按照下列规定确定： 1)1)截面为双轴对称或极对称的构件截面为双轴对称或极对称的构件 构件对主轴和的

14、计算长度；构件对主轴和的计算长度； 构件截面对主轴和的回转半径构件截面对主轴和的回转半径 对双轴对称十字形截面构件，对双轴对称十字形截面构件， 或或 取值不得小于取值不得小于5.07b/t5.07b/t （其中（其中b/tb/t为悬伸板件宽厚比）。为悬伸板件宽厚比）。 xoxx il/ yoyy il/ ox l oy l ox i oy i x y 2)2)截面为单轴对称的构件截面为单轴对称的构件 对于单轴对称截面，由于截面形心与剪心（剪对于单轴对称截面，由于截面形心与剪心（剪 切中心）不重合，绕对称轴失稳时，在弯曲的切中心）不重合，绕对称轴失稳时，在弯曲的 同时总伴随着扭转，即形成弯扭屈曲

15、。相同的同时总伴随着扭转，即形成弯扭屈曲。相同的 情况下，弯扭失稳比弯曲失稳的临界应力要低。情况下，弯扭失稳比弯曲失稳的临界应力要低。 注意：无任何对称轴且又非极对称的截面（单面连注意：无任何对称轴且又非极对称的截面（单面连 接的不等边单角钢除外）不宜用作轴心受压构接的不等边单角钢除外）不宜用作轴心受压构 件件。 概念：轴心受压构件的整体稳定系数概念：轴心受压构件的整体稳定系数 与长细比与长细比 的关系的关系 曲线，称为柱子曲线曲线，称为柱子曲线. .以便于轴心受压构件整体稳定性验算。以便于轴心受压构件整体稳定性验算。 图中的图中的a a、b b、c c、d d四条曲线，各代表一组截面，如表所

16、示。四条曲线，各代表一组截面，如表所示。 概念：如图所示的工字型截概念：如图所示的工字型截 面轴心受压构件，若腹板及翼缘面轴心受压构件，若腹板及翼缘 的板件太宽太薄，当轴压力达到的板件太宽太薄，当轴压力达到 某一数值时，板件就可能在构件某一数值时，板件就可能在构件 丧失强度和整体稳定之前不能维丧失强度和整体稳定之前不能维 持平面持平面平衡状态而产生凹凸鼓出平衡状态而产生凹凸鼓出 变形，这种现象称为板件失去稳变形，这种现象称为板件失去稳 定，或称板件屈曲。因板件是组定，或称板件屈曲。因板件是组 成构件的一部分，故又把这种屈成构件的一部分，故又把这种屈 曲现象称为构件失去局部稳定或曲现象称为构件失

17、去局部稳定或 局部屈曲。局部屈曲。 （2 2）轴心受压构件的局部稳定验算）轴心受压构件的局部稳定验算 实腹式轴心受压构件局部屈曲实腹式轴心受压构件局部屈曲 保证局部稳定的重要性：丧失局部稳定的构保证局部稳定的重要性：丧失局部稳定的构 件还能继续承受荷载，但由于鼓屈部分退出工作，件还能继续承受荷载，但由于鼓屈部分退出工作， 使构件应力分布恶化，会降低构件的承载力，导使构件应力分布恶化，会降低构件的承载力，导 致构件提早破坏。致构件提早破坏。 钢结构规范钢结构规范规定，受压构件中板件的局规定，受压构件中板件的局 部稳定以板件屈曲不先于构件的整体失稳为条件，部稳定以板件屈曲不先于构件的整体失稳为条件

18、， 并以限制板件的宽厚比来加以控制。并以限制板件的宽厚比来加以控制。 对于轧制型钢，由于翼缘、腹板较厚，一般对于轧制型钢，由于翼缘、腹板较厚，一般 都能满足局部稳定要求，无需计算。都能满足局部稳定要求，无需计算。 以工字形截面为例，以工字形截面为例，钢结构设计规范钢结构设计规范规定：规定： 1)1)翼缘翼缘 由于翼缘板悬伸部分的宽厚比由于翼缘板悬伸部分的宽厚比b/tb/t与长细比的与长细比的 关系曲线的关系式较为复杂，为了便于应用，关系曲线的关系式较为复杂，为了便于应用， 采用下列简单的直线式表达：采用下列简单的直线式表达： 式中，式中， 为构件两方向长细比的较大值。为构件两方向长细比的较大值

19、。 当当 时时, , 取取 , , 当当 时时, ,取取 . . y f tb 235 1.010/ 3030100100 2) 2) 腹板腹板 腹板可视为四边支承板，这种嵌固作用可使腹板的临腹板可视为四边支承板，这种嵌固作用可使腹板的临 界应力提高，经简化可得腹板高厚比界应力提高，经简化可得腹板高厚比 的的 简化表达式为：简化表达式为： (3-11(3-11） 当工字形截面的腹板高厚比当工字形截面的腹板高厚比 不满足式（不满足式（3-113-11） 的要求时，除了加厚腹板（此法不一定经济）外，还可的要求时，除了加厚腹板（此法不一定经济）外，还可 采用有效截面的概念进行计算。采用有效截面的概念

20、进行计算。 当腹板高厚比不满足要求时，亦可在腹板中部设置纵当腹板高厚比不满足要求时，亦可在腹板中部设置纵 向加劲肋，用纵向加劲肋加强后的腹板仍按式（向加劲肋，用纵向加劲肋加强后的腹板仍按式（3-113-11） 计算，计算， wo th / yw o ft h235 5.025 wo th / 5. 5. 轴心受压柱的设计轴心受压柱的设计 (1) (1) 截面形式截面形式: :实腹式轴性受压柱一般采用双轴对实腹式轴性受压柱一般采用双轴对 称截面，以避免弯扭失稳。称截面，以避免弯扭失稳。 选择轴心受压实腹柱的截面时，应考虑以下几选择轴心受压实腹柱的截面时，应考虑以下几 个原则：个原则： 1) 1)

21、 面积的分布应尽量开展，以增加截面的惯性面积的分布应尽量开展，以增加截面的惯性 矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚度；矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚度； 2) 2) 使两个主轴方向等稳定性，以达到经济的效使两个主轴方向等稳定性，以达到经济的效 果；果； 3) 3) 便于与其他构件进行连接；便于与其他构件进行连接； 4) 4) 尽可能构造简单，制造省工，取材方便。尽可能构造简单，制造省工，取材方便。 (2) (2) 截面设计截面设计 截面设计时，首先按上述原则选定截面设计时，首先按上述原则选定 合适的截面形式，再初步选择截面尺寸，然后合适的截面形式，再初步选择截面尺寸，然后 进行强度、刚

22、度、整体稳定、局部稳定等的验进行强度、刚度、整体稳定、局部稳定等的验 算。算。 具体步骤如下：具体步骤如下： 1)1)假 定 柱 的 长 细 比假 定 柱 的 长 细 比 ， 求 出 需 要 的 截 面， 求 出 需 要 的 截 面 积积 。 2) 2) 求两个主轴所需要的回转半径求两个主轴所需要的回转半径 A f N A ox x l i oy y l i 3) 3) 由已知截面面积由已知截面面积 、两个主轴的回转半径、两个主轴的回转半径 、 优先选用轧制型钢，如普通工字钢、优先选用轧制型钢，如普通工字钢、H H型钢等。型钢等。 4)4)由所需要的由所需要的 、 、 等，再考虑构造要求、等，

23、再考虑构造要求、 局部稳定以及钢材规格等，确定截面的初步尺局部稳定以及钢材规格等，确定截面的初步尺 寸。寸。 A x i y i A hb (3)(3)构件强度、刚度和稳定性验算构件强度、刚度和稳定性验算 1)1)当截面有削弱时，需进行强度验算。当截面有削弱时，需进行强度验算。 式中式中 构件的净截面面积。构件的净截面面积。 2)2)刚度验算。轴心受压实腹柱的长细比应符合规范刚度验算。轴心受压实腹柱的长细比应符合规范 所规定的容许长细比要求。所规定的容许长细比要求。 3)3)整体稳定验算整体稳定验算 f A N n n A f A N 4) 4)局部稳定验算。轴心受压构件的局部稳定是以局部稳定

24、验算。轴心受压构件的局部稳定是以 限制其组成板件的宽厚比来保证。对于热轧型限制其组成板件的宽厚比来保证。对于热轧型 钢截面，由于其板件的宽厚比较小，一般能满钢截面，由于其板件的宽厚比较小，一般能满 足要求，可不验算。对于组合截面，则应根据足要求，可不验算。对于组合截面，则应根据 规定对板件的宽厚比进行验算。规定对板件的宽厚比进行验算。 (6) (6) 格构式轴心受压柱格构式轴心受压柱 为提高轴心受压构件的承为提高轴心受压构件的承 载能力，应在不增加材料用量的前提下，尽可载能力，应在不增加材料用量的前提下，尽可 能增大截面的惯性矩，并使两个主轴方向的惯能增大截面的惯性矩，并使两个主轴方向的惯 性

25、矩相同，即令性矩相同，即令x x轴与轴与y y轴具有相等的稳定性。轴具有相等的稳定性。 格构式受压构件就是把肢杆布置在距截面形心格构式受压构件就是把肢杆布置在距截面形心 一定距离的位置上，通过调整肢间距离以使两一定距离的位置上，通过调整肢间距离以使两 个方向具有相同的稳定性。个方向具有相同的稳定性。 格构式构件制造复杂，由于柱肢只宜采用型钢（或格构式构件制造复杂，由于柱肢只宜采用型钢（或 钢管），所以其承载能力及应用也受到一定的限制。钢管），所以其承载能力及应用也受到一定的限制。 格构式轴心受压柱对实轴的稳定计算与实腹柱完格构式轴心受压柱对实轴的稳定计算与实腹柱完 全相同，因为它相当于两个并列

26、的实腹柱。但格构全相同，因为它相当于两个并列的实腹柱。但格构 柱虚轴的稳定性却比具有同样长细比的实腹柱稳定柱虚轴的稳定性却比具有同样长细比的实腹柱稳定 性小。性小。 课题课题2 2 受弯构件受弯构件 1. 受弯构件的形式和应用 建筑结构中，承受横向荷载的构件称为受弯构件， 其形式有实腹式和格构式两个系列。 (1)实腹式受弯构件梁 钢梁按制作方法的不同 可以分为型钢梁和组合梁两大类。 型钢梁又分为热轧型钢梁和冷轧薄壁型钢梁。型 钢梁构造简单，制造省工，成本较低，因而应优先 采用。热轧型钢梁的截面有热轧工字钢、槽钢和热 轧H型钢三种。 当所受荷载较小、跨度不大时某些受弯构件当所受荷载较小、跨度不大

27、时某些受弯构件 （如檩条）可采用（如檩条）可采用冷弯薄壁冷弯薄壁C C型钢型钢或或Z Z形钢形钢做梁，做梁， 可以有效地节约钢材，如檩条和墙梁等，但防可以有效地节约钢材，如檩条和墙梁等，但防 腐要求较高。腐要求较高。 当荷载和跨度较大时，型钢梁受到尺寸和规当荷载和跨度较大时，型钢梁受到尺寸和规 格的限制，往往不能满足承载力和刚度的要求，格的限制，往往不能满足承载力和刚度的要求， 此时应采用此时应采用组合梁组合梁。按其连接方法和使用材料。按其连接方法和使用材料 的不同，组合梁可以分为的不同，组合梁可以分为焊接组合梁焊接组合梁（简称为（简称为 焊接梁）、焊接梁）、铆接组合梁铆接组合梁（简称为铆接梁

28、）、（简称为铆接梁）、异异 种钢组合梁种钢组合梁和和钢与混凝土组合梁钢与混凝土组合梁等几种。等几种。 根据梁的支承情况，钢梁可做成根据梁的支承情况，钢梁可做成简支梁简支梁、连续梁连续梁、 悬伸梁悬伸梁等。等。 根据荷载受力情况，梁又分为仅在一个主平面内根据荷载受力情况，梁又分为仅在一个主平面内 受弯的受弯的单向受弯梁单向受弯梁和在两个主平面内受弯的和在两个主平面内受弯的双向受双向受 弯梁弯梁。双向弯曲梁也称为斜弯曲梁。双向弯曲梁也称为斜弯曲梁。 钢结构中，除少数情况如吊车梁、起重机大梁或钢结构中，除少数情况如吊车梁、起重机大梁或 上承式铁路板梁桥等可单根或两根梁成对布置外，上承式铁路板梁桥等可

29、单根或两根梁成对布置外， 通常采用纵横交叉的主、次梁组成梁格，再在梁格通常采用纵横交叉的主、次梁组成梁格，再在梁格 上铺设面板，形成结构的承重体系上铺设面板，形成结构的承重体系。 根据主梁和次梁的排列情况，梁格可分为三种类型：根据主梁和次梁的排列情况，梁格可分为三种类型： 1 1）单向梁只有主梁，适用于的跨度较小或面板宽度较大的楼盖）单向梁只有主梁，适用于的跨度较小或面板宽度较大的楼盖 或平台结构。或平台结构。 2 2）双向梁格有主梁及一个方向的次梁，次梁由主梁支承，并将）双向梁格有主梁及一个方向的次梁，次梁由主梁支承，并将 板划分为较小区格，减小了面板的跨度和厚度，使梁格更为板划分为较小区格

30、，减小了面板的跨度和厚度，使梁格更为 经济，是最为常用的梁格类型。经济，是最为常用的梁格类型。 3 3）复式梁格在主梁间设纵向次梁，纵向次梁间再设与主梁平行）复式梁格在主梁间设纵向次梁，纵向次梁间再设与主梁平行 的横向次梁，以减小面板的支承跨度和厚度，使梁格更为经的横向次梁，以减小面板的支承跨度和厚度，使梁格更为经 济。济。 (2)2)格构式受弯构件格构式受弯构件桁架桁架 格构式受弯构件又称为桁格构式受弯构件又称为桁 架，与梁相比，其特点是以弦杆代替翼缘，以腹杆架，与梁相比，其特点是以弦杆代替翼缘，以腹杆 代替腹板，而在各节点将腹杆与弦杆连接。代替腹板，而在各节点将腹杆与弦杆连接。 钢桁架的结

31、构类型有：钢桁架的结构类型有： 1)1)简支梁式简支梁式: :简支梁式钢桁架受力明确，杆件内力不受简支梁式钢桁架受力明确，杆件内力不受 支座沉陷的影响，施工方便。支座沉陷的影响，施工方便。 2)2)钢架横梁式钢架横梁式: :钢架横梁式的桁架端部上下弦与钢柱相钢架横梁式的桁架端部上下弦与钢柱相 连组成单跨或多跨刚架，可提高其水平刚度，常用连组成单跨或多跨刚架，可提高其水平刚度，常用 于单层厂房结构；于单层厂房结构； 3)连续式:连续式钢桁架跨越较大的桥架常用多跨连 续的桁架，可增加刚度并节约材料； 4)伸臂式:伸臂式钢桁架既有连续式节约材料的优点， 又有静定桁架不受支座沉陷的影响的优点，只是铰

32、接处的构造较复杂； 5)悬臂式:悬臂式钢桁架用于塔架等，主要承受水平 风荷载引起的弯矩。 2、受弯构件的强度与刚度、受弯构件的强度与刚度 （1 1）强度计算）强度计算 梁在荷载作用下将产生弯应力、剪应力，在集中荷梁在荷载作用下将产生弯应力、剪应力，在集中荷 载作用处还有局部承压应力，故梁的强度应包括：抗弯载作用处还有局部承压应力，故梁的强度应包括：抗弯 强度、抗剪强度、局部承压强度，在弯应力、剪应力及强度、抗剪强度、局部承压强度，在弯应力、剪应力及 局部压应力共同作用处还应验算折算应力。局部压应力共同作用处还应验算折算应力。 1 1）梁的抗弯强度）梁的抗弯强度 钢梁在弯矩作用下，可分为三个工作

33、阶段，即弹性、钢梁在弯矩作用下，可分为三个工作阶段，即弹性、 弹塑性及塑性阶段。弹塑性及塑性阶段。 弹性阶段：以边缘屈服为最大承载力弹性阶段：以边缘屈服为最大承载力 弹塑性阶段：以塑性铰弯矩为最大承载力弹塑性阶段：以塑性铰弯矩为最大承载力 弹性工作阶段：如图所示的工字形截面梁，当弯弹性工作阶段：如图所示的工字形截面梁，当弯 矩矩M M较小时，截面上的弯曲应力呈三角形直线分布，其外较小时，截面上的弯曲应力呈三角形直线分布，其外 缘纤维最大应力为缘纤维最大应力为=M M/ /W Wn n。这个阶段可以持续到。这个阶段可以持续到达到达到 屈服点屈服点f fy y，此时梁截面的弯矩达到弹性极限弯矩，此

34、时梁截面的弯矩达到弹性极限弯矩M Me e。 M Me eW Wn nf fy y 式中式中 M Me e梁的弹性极限弯矩；梁的弹性极限弯矩； W Wn n梁的净截面（弹性）模量。梁的净截面（弹性）模量。 弹塑性工作阶段：弯矩继续增加，截面外缘部分弹塑性工作阶段：弯矩继续增加，截面外缘部分 进入塑性状态，中央部分仍保持弹性。截面弯曲应力进入塑性状态，中央部分仍保持弹性。截面弯曲应力 呈折线分布。随着弯矩增大，塑性区逐渐向截面中央扩展，呈折线分布。随着弯矩增大，塑性区逐渐向截面中央扩展， 中央弹性区相应逐渐减小。中央弹性区相应逐渐减小。 塑性工作阶段：在塑性工作阶段，若弯矩不断增大，塑性工作阶段

35、：在塑性工作阶段，若弯矩不断增大， 直到弹性区消失，截面全部进入塑性状态，即达到塑性工作直到弹性区消失，截面全部进入塑性状态，即达到塑性工作 阶段，此时梁截面应力呈两个矩形分布。弯矩达到最大极限，阶段，此时梁截面应力呈两个矩形分布。弯矩达到最大极限， 称为塑性弯矩称为塑性弯矩M MP P。 M Mp p= =W Wpn pnf fy y 式中式中 W Wpn pn 梁的净截面塑性模量。梁的净截面塑性模量。 塑性铰：当截面上弯矩达到塑性铰：当截面上弯矩达到M Mp p时，荷载不能再增加，时，荷载不能再增加， 但变形仍可继续增大，截面可以转动，犹如一个铰，称但变形仍可继续增大，截面可以转动，犹如一

36、个铰，称 为塑性铰。为塑性铰。 弹性设计与塑性设计：把梁的边缘纤维达到屈服强弹性设计与塑性设计：把梁的边缘纤维达到屈服强 度作为设计的极限状态，叫做弹性设计。在一定条件下，度作为设计的极限状态，叫做弹性设计。在一定条件下， 考虑塑性变形的发展，称为塑性设计。考虑塑性变形的发展，称为塑性设计。 规范以梁截面塑性发展到一定深度（即截面只有部规范以梁截面塑性发展到一定深度（即截面只有部 分区域进入塑性区）作为设计极限状态。分区域进入塑性区）作为设计极限状态。 梁的抗弯强度按下列公式计算：梁的抗弯强度按下列公式计算： 单向弯曲时：单向弯曲时： 双向弯曲时：双向弯曲时： 式中式中M M 弯矩；弯矩； 截

37、面塑性发展系数。对于工字形截面截面塑性发展系数。对于工字形截面 x x=1.05=1.05，y y=1.2=1.2；对于箱形截面；对于箱形截面x x=y y=1.05=1.05； 对其它截面按表对其它截面按表11.2.411.2.4采用，此处采用，此处x x为强轴，为强轴，y y为为 弱轴。弱轴。 f w M n f w M w M nyy y nxx x y f/235 y f/235 对于直接承受动力荷载且需计算疲劳的梁，考虑塑性对于直接承受动力荷载且需计算疲劳的梁，考虑塑性 发展会使钢材硬化，促使疲劳断裂提早出现。发展会使钢材硬化，促使疲劳断裂提早出现。 当梁的受压翼缘自由外伸宽度与其厚

38、度之比较大，超过当梁的受压翼缘自由外伸宽度与其厚度之比较大，超过 13 13 ，但不超过但不超过15 15 时，考虑塑性发展对翼时，考虑塑性发展对翼 缘局部稳定有不利影响。缘局部稳定有不利影响。 2 2）梁的抗剪强度）梁的抗剪强度 规范以截面最大剪力达到所用钢材剪应力屈服点作为抗规范以截面最大剪力达到所用钢材剪应力屈服点作为抗 剪承载力极限状态。于是梁的抗剪强度计算公式为剪承载力极限状态。于是梁的抗剪强度计算公式为 式中式中V V 计算截面沿腹板平面作用的剪力；计算截面沿腹板平面作用的剪力； I I 梁的毛截面惯性矩；梁的毛截面惯性矩； S S 中和轴以上或以下截面对中和轴的面积矩，按毛中和轴

39、以上或以下截面对中和轴的面积矩，按毛 截面计算；截面计算； t tw w腹板厚度；腹板厚度； f fv v钢材抗剪强度设计值。钢材抗剪强度设计值。 对于轧制工字钢和槽钢因受轧制条件限制，腹板厚度对于轧制工字钢和槽钢因受轧制条件限制，腹板厚度t tw w 相对较大，当无较大截面削弱时，可不必验算抗剪强度。相对较大，当无较大截面削弱时，可不必验算抗剪强度。 V wx f tI VS 3 3）梁的局部承压强度）梁的局部承压强度 当梁的上翼缘有沿腹板平面作用的固定集中荷载而未当梁的上翼缘有沿腹板平面作用的固定集中荷载而未 设支承加劲肋，或受有移动集中荷载（如吊车轮压）作设支承加劲肋，或受有移动集中荷载

40、（如吊车轮压）作 用时，可认为集中荷载从作用处以用时，可认为集中荷载从作用处以1 1：2.5(2.5(在高度在高度h hy y范围）范围） 和和1 1：1 1（在（在h hR R高度范围）扩散，均匀分布于腹板边缘，腹高度范围）扩散，均匀分布于腹板边缘，腹 板计算高度上边缘的局部承压强度按下式计算：板计算高度上边缘的局部承压强度按下式计算： f lt F zw c F F 集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数；集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数； 集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁 =1.35=1.35；对其它梁；对其它梁=1.0=1.0。 l lz z集中荷

41、载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，按集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，按 下式计算：下式计算： l lz z= =a a+2+2h hy y a a 集中荷载沿梁跨方向的支承长度，对吊车梁取集中荷载沿梁跨方向的支承长度，对吊车梁取50mm50mm； h hy y自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边缘的自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边缘的 距离。距离。 在梁的支座处，当不设置加劲肋时，也应按式计算腹板在梁的支座处，当不设置加劲肋时，也应按式计算腹板 计算高度下边缘的局部压应力，但计算高度下边缘的局部压应力，但取取1.01.0。支座反力的假。支座反力的假 定分布长度，

42、应根据支座具体尺寸计算。定分布长度，应根据支座具体尺寸计算。 4 4）梁在复杂应力作用下的强度计算）梁在复杂应力作用下的强度计算 在组合梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正在组合梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正 应力、剪应力和局部压应力，或同时受有较大的正应力和剪应力、剪应力和局部压应力，或同时受有较大的正应力和剪 应力，应验算其折算应力，如图所示。应力，应验算其折算应力，如图所示。 折算应力验算公式为：折算应力验算公式为： 两两同号取同号取1.11.1， 异号取异号取1.21.2 f cceq1 222 3 （2）梁的刚度梁的刚度 控制梁的挠跨比小于规定的限制（为变形量的限制

43、）控制梁的挠跨比小于规定的限制（为变形量的限制） 梁的挠度梁的挠度v v（按一般材料力学公式计算）或相对挠度（按一般材料力学公式计算）或相对挠度v v / /l l 应满足下式：应满足下式： v v v v 或或 v /lv /lv v / l l 式中式中 v v 梁的容许挠度。梁的容许挠度。 梁的刚度属正常使用极限状态，故计算时应采用荷载梁的刚度属正常使用极限状态，故计算时应采用荷载 标准值，且不考虑螺栓孔引起的截面削弱，对动力荷载标标准值，且不考虑螺栓孔引起的截面削弱，对动力荷载标 准值也不乘动力系数。准值也不乘动力系数。 3. 3. 梁的稳定设计梁的稳定设计 (1)(1)梁的整体稳定梁

44、的整体稳定 1)1)梁整体稳定的概念：梁整体稳定的概念：梁的强度计算时，认为荷载梁的强度计算时，认为荷载 作用于梁截面的垂直对称轴作用于梁截面的垂直对称轴 ，且它只产生沿轴，且它只产生沿轴 方向的弯曲变形。但实际上荷载不可能准确对方向的弯曲变形。但实际上荷载不可能准确对 称作用于梁的垂直平面，同时不可避免地也会称作用于梁的垂直平面，同时不可避免地也会 有各种偶然因素所产生的横向作用，当荷载较有各种偶然因素所产生的横向作用，当荷载较 小时，梁的弯曲平衡状态是稳定的。然而，当小时，梁的弯曲平衡状态是稳定的。然而，当 荷载增大到某一数值后，梁在向下弯曲的同时，荷载增大到某一数值后，梁在向下弯曲的同时

45、， 将突然发生侧向弯曲和扭转变形而破坏，这种将突然发生侧向弯曲和扭转变形而破坏，这种 现象称之为现象称之为梁的侧向弯扭屈曲梁的侧向弯扭屈曲或或整体失稳整体失稳。 梁维持其稳定平衡状态所承担的最大荷梁维持其稳定平衡状态所承担的最大荷 载或最大弯矩，称为载或最大弯矩，称为临界荷载临界荷载或或临界弯矩临界弯矩。 此时，受压翼缘相应的最大应力就叫此时，受压翼缘相应的最大应力就叫临界临界 应力应力。 2)2)梁整体稳定的保证：梁整体稳定的保证：钢结构设计规范钢结构设计规范规定，规定， 当符合下列情况之一时，梁的整体稳定可以得当符合下列情况之一时，梁的整体稳定可以得 到保证，不必计算：到保证，不必计算：

46、有刚性铺板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固连有刚性铺板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固连 接，能阻止梁受压翼缘的侧向位移；接，能阻止梁受压翼缘的侧向位移； H H型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长型钢或等截面工字形简支梁受压翼缘的自由长 度度 与其宽度与其宽度 之比不超过之比不超过钢结构设计规钢结构设计规 范范所规定的数值；所规定的数值； 1 l 1 b 3)3)梁整体稳定的计算方法梁整体稳定的计算方法。 当不满足前述不必计算整体稳定条件时，应对当不满足前述不必计算整体稳定条件时，应对 梁的整体稳定进行计算。计算时根据梁整体稳梁的整体稳定进行计算。计算时根据梁整体稳 定临界弯矩定临界弯矩 ，

47、可求出相应的，可求出相应的临界应力临界应力 ，并考虑钢材抗力分项，并考虑钢材抗力分项 系数系数 ，对于在最大刚度主平面内单向弯曲的，对于在最大刚度主平面内单向弯曲的 构件，其整体稳定条件为：构件，其整体稳定条件为： (3-20) (3-20) cr M xcrcr WM/ R Ry ycr R cr x x f f W M 令令 ，则在最大刚度主平面内受，则在最大刚度主平面内受 弯的构件，其整体稳定性应按下式计算：弯的构件，其整体稳定性应按下式计算： 在整体稳定计算中，在整体稳定计算中，整体稳定系数整体稳定系数 的的 确定非常关键。对于常用的普通轧制工字钢简确定非常关键。对于常用的普通轧制工字

48、钢简 支梁，可将其整体稳定系数支梁，可将其整体稳定系数 按工字钢型号按工字钢型号 和受压翼缘自由长度和受压翼缘自由长度 制成表格直接查用，制成表格直接查用， bycr f/ f W M xb x b b 1 l 钢结构设计规范钢结构设计规范规定：当按上述公式或表格确规定：当按上述公式或表格确 定的定的 时，用下式求得的时，用下式求得的 代替代替 进行梁的整体稳定计算。进行梁的整体稳定计算。 当梁的整体稳定承载力不足时，可采用当梁的整体稳定承载力不足时，可采用加大梁加大梁 的截面尺寸的截面尺寸或或增加侧向支承增加侧向支承的办法予以解决，的办法予以解决， 6 . 0 b b b 0 . 1/282

49、. 007. 1 bb (2)(2)梁的局部稳定梁的局部稳定 从用材经济的角度出发，选择组合梁截面时总从用材经济的角度出发，选择组合梁截面时总 是力求采用高而薄的腹板以增大截面的惯性矩是力求采用高而薄的腹板以增大截面的惯性矩 和抵抗矩，同时也希望采用宽而薄的翼缘以提和抵抗矩，同时也希望采用宽而薄的翼缘以提 高梁的稳定性，但是，如果将这些板件不适当高梁的稳定性，但是，如果将这些板件不适当 地减薄加宽，在板中压应力或剪应力尚未达到地减薄加宽，在板中压应力或剪应力尚未达到 强度限值或在梁未丧失整体稳定前，腹板或受强度限值或在梁未丧失整体稳定前，腹板或受 压翼缘有可能偏离其平面位置，出现波形鼓曲，压翼

50、缘有可能偏离其平面位置，出现波形鼓曲， 这种现象称为这种现象称为梁局部失稳梁局部失稳或称或称失去局部稳定失去局部稳定。 热轧型钢由于轧制条件，其板件宽厚比较小，热轧型钢由于轧制条件，其板件宽厚比较小， 都能满足局部稳定的要求，不需要计算。都能满足局部稳定的要求，不需要计算。 为了避免组合梁出现局部失稳的现象主要采用为了避免组合梁出现局部失稳的现象主要采用 以下两种措施：以下两种措施： 1.1.限制板件的宽厚比或高厚比；限制板件的宽厚比或高厚比； 2.2.在垂直于钢板平面方向设置加劲肋。在垂直于钢板平面方向设置加劲肋。 1)1)受压翼缘的局部稳定：受压翼缘的局部稳定：对于梁的受压翼缘，对于梁的受

51、压翼缘， 只能通过限制其自由外伸宽度与其厚度之比来只能通过限制其自由外伸宽度与其厚度之比来 保证翼缘板的局部稳定。即：保证翼缘板的局部稳定。即： （3-25a） y ft b235 13 当梁在绕强轴的弯矩当梁在绕强轴的弯矩 作用下的强度按作用下的强度按 弹性设计（即取弹性设计（即取 ）时，）时， 值值 可放宽为：可放宽为： x M 0 . 1 x tb/ y ft b235 15 箱形梁翼缘板在两腹板之间的部分，相当于四箱形梁翼缘板在两腹板之间的部分，相当于四 边简支单向均匀受压板，应符合下式要求：边简支单向均匀受压板，应符合下式要求： y ft b235 40 1 0 2)2)腹板的局部稳定腹板的局部稳定 组合梁主要是通过采用加劲肋将腹板组合梁主要是通过采用加劲肋将腹板 分割成较小的区格来提高其抵抗局部屈曲分割成较小的区格来提高其抵抗局部屈曲 的能力的能力。 课题课题3 3 拉弯和压弯构件拉弯和压弯构件 1.概述概述 结构中，压弯和拉弯构件的应用十分广泛。结构中，压弯和拉弯构件的应用十分广泛。 它指的是同时承受它指的是同时承受轴向力轴向力和和弯矩弯矩的构件。弯矩的构件。弯矩 可能由轴向力的偏心