钢结构设计原理-4轴心受力构件

1、4.1 轴心受力构件的应用和截面形式 1) 轴心受力构件定义 轴心受拉构件轴心拉杆 轴心受压构件轴心压杆 2) 轴心受力构件的应用 屋架、托架、塔架、网架和网壳等各种类型的平面或空间 格构式体系以及支撑系统中。 支承屋盖、楼盖或工作平台的竖向受压构件的柱。 3) 柱的组成和形式 柱通常由柱头、柱身 和柱脚三部分组成，柱 头支承上部结构并将其 荷载传给柱身，柱脚则 把荷载由柱身传给基础。 按截面组成分为： 实腹柱、格构柱。 动画资源轴心受力构件 13，7，8 4) 轴心受力构件的分类 按截面组成形式，可分为实腹式构件和格构式构件两种。 实腹式构件：具有整体连通的截面，有三种常见形式。 热轧型钢截

2、面，如圆钢、圆管、方管、角钢、工字钢、 T型钢、宽翼缘H型钢和槽钢等，最常用工字形或H形截面； 第二种是冷弯型钢截面，如卷边和不卷边的角钢或槽 钢与方管； 第三种是型钢或钢板连接而成的组合截面。 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。 通过分肢腹板的为实轴，通过分肢缀件的为虚轴。 分肢采用轧制槽钢或工字钢。缀件的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。 缀件有缀条或缀板两种。 缀条由斜杆组成、或斜杆与横杆共同组成，缀条常采用单 角钢，与分肢翼缘组成桁架体系，使承受横向剪力时有较 大的刚度。缀板常采用钢板，与分肢翼缘组成刚架

3、体系， 刚度略低。 5) 轴心受力构件需要验算的内容 轴心受拉构件：强度、刚度； 轴心受压构件：强度、刚度、整体稳定、局部稳定。 4.2 轴心受力构件的强度和刚度 4.2.1 轴心受力构件的强度计算 1) 极限状态 从钢材的应力应变关系可知，当轴心受力构件的截面平 均应力达到钢材的屈服强度fy时，塑性变形迅速发展，不适 于继续承载。 因此轴心受力构件是以截面的平均应力达到钢材的屈服强 度fy作为强度计算准则的，而不是fu。 2) 有截面削弱时的极限状态 对有孔洞等削弱的轴心受力构件，存在应力集中现象。孔 壁边缘的应力可能达到构件毛截面平均应力的3倍。 继续加载，孔壁边缘应力达到材料的屈服强度以

4、后，应力 不再继续增加而截面发展塑性变形，应力渐趋均匀。到达极 限状态时，净截面上的应力为均匀屈服应力。 因此净截面的平均应力达到屈服强度为强度极限状态。 3) 强度的验算方法 式中An为构件的净截面面积。 对有螺纹的拉杆：An取螺纹处的有效截面面积。 计算普通螺栓连接时：并列时为净截面；错列时按1I、 或-中的截面较小值计算。 f A N n 对于高强度螺栓摩擦型连接 认为连接传力所依靠的摩擦力均匀分布于螺孔四周，故 在孔前接触面已传递一半的力。因此，最外列螺栓处危险 截面的净截面强度应按下式计算： 其中：n为连接一侧的高强度螺栓总数；n1计算截面(最外 列螺栓处)上的高强度螺栓数目； 0.

5、5孔前传力系数。 f A N n )/5 . 01 ( 1 nnNN 单面连接的单角钢轴心受力构件 处于双向偏心受力状态，试验表明其极限承载力约为轴 心受力构件极限承载力的85%左右。因此单面连接的单角 钢按轴心受力计算强度时，钢材强度设计值应乘以折减系 数0.85。 f A N 85. 0 n 残余应力对强度的影响 焊接构件和轧制型钢构件均会产生残余应力，但残余应 力在构件内是自相平衡的内应力，在轴力作用下，除了使 构件部分截面较早地进入塑性状态外，并不影响构件的静 力强度。 所以在验算轴心受力构件强度时，不必考虑残余应力的 影响。 4.2.2 轴心受力构件的刚度计算 1) 进行刚度计算的原

6、因 轴心受力构件刚度不足时，在本身自重作用下容易产生过 大的挠度，在动力荷载作用下容易产生振动，在运输和安装 过程中容易产生弯曲。 从而影响构件的正常使用极限状态。 2) 衡量刚度的指标 轴心受力构件的刚度通常用长细比来衡量，长细比愈小， 表示构件刚度愈大，反之则刚度愈小。 因此规定了构件的容许长细比。要求构件的实际长细比 不超过容许长细比。 x 0 x x i l y 0y y i l 3) 容许长细比 受压构件一旦发生弯曲变形后，附加弯矩效应远比受拉构 件严重，因而容许长细比限制较严；直接承受动力荷载的 受拉构件也比承受静力荷载或间接承受动力荷载的受拉构件 不利，容许长细比限制也较严。 4

7、) 长细比的计算方法 其中l0 x、l0y为构件的计算长度， l0为构件的几何长度。 为构件的计算长度系数，根端部约束条件有关，见下节， 桁架和框架柱的计算长度系数与其两端相连梁的刚度有关。 ix、iy为截面回转半径。 当截面主轴在倾斜方向时（如单角钢截面和双角钢十字形 截面），其主轴常标为x0轴和y0轴。 AI l i l x 0 x 0 x x AI l i l y 0 y 0y y 4.3.1 轴心受力构件的整体失稳现象 1) 稳定的分类 理想直杆的分枝点失稳，也称为第一类稳定问题； 非理想直杆的极值点失稳，也称为第二类稳定问题。 2) 临界力与临界应力 失稳时所对应的轴向荷载称为临界力

8、Ncr； 相应的截面上的平均应力称为临界应力cr。 4.3 轴心受力构件的整体稳定 3) 轴心受压柱的失稳形式 两端铰接的轴心压杆可能出 现三种失稳形式：弯曲失稳、 扭转失稳、弯扭失稳 弯曲失稳：失稳时某个主轴平 面内的变形迅速增加，达到临 界承载力。对于一般双轴对称 的工字形、箱形截面经常发生 此类失稳。 扭转失稳：当轴心压力达到临界值 时，稳定平衡状态不再保持而发生 微扭转。当N再稍微增加，则扭转变 形迅速增大而使构件丧失承载能力， 这种现象称为扭转失稳。 对某些抗扭刚度较差的轴心受压 构件（如十字形截面）经常发生。 弯扭失稳：单轴对称（如T形截面） 的轴心受压构件绕对称轴失稳时， 发生弯

9、曲产生弯矩的同时，在形心 上产生剪力，由于截面形心与截面 剪切中心不重合，在发生弯曲变形 的同时必然伴随有扭转变形，故称 为弯扭失稳。 同理，截面没有对称轴的轴心受 压构件，其屈曲形态也属弯扭屈曲。 动画资源轴心受力构件3，9，10 4) 钢结构中对不同失稳形式的考虑方法 钢结构中常用的压杆截面，由于其板件较厚，构件的抗 扭刚度也相对较大，失稳时主要发生弯曲屈曲； 单轴对称截面的构件绕对称轴弯扭屈曲时，当采用考虑扭 转效应的换算长细比后，也可按弯曲屈曲计算。 因此弯曲屈曲是确定轴心受压构件稳定承载力的主要依据， 我们将重点讨论这个问题。 4.3.2 无缺陷轴心受压构件的屈曲 1) 弹性弯曲屈曲

10、 如图两端铰接的理想等截面构件， 处于弹性屈曲的微弯状态时，由内外 力矩平衡条件，可建立平衡微分方程， 求解后可得到著名的欧拉临界力公式： 相应欧拉临界应力为： l称为构件的计算长度或有效长度，l为 构件的几何长度，称为构件的计算长 度系数。 2 2 2 0 2 2 2 cr ) EA l EI l EI N （ 2 2 crE E A N cr 2) 计算长度系数 构件的计算长度系数与端部的约束条件有关，下表中给 出了几种典型支承情况及相应的取值。 考虑到理想条件难于完全实现，还给出了用于实际设计的 建议值。 3) 弹塑性弯曲屈曲 在上述欧拉临界力公式的推导中，假定材料无限弹性、 符合虎克定

11、律（弹性模量E为常量），因此当截面应力超过 钢材的比例极限fp后，欧拉临界力公式不再适用，需满足： 或： 只有长细比较大（p）的轴心受压构件，才能发生弹性 失稳，使用欧拉公式计算。对于长细比较小（fp，构件进入弹塑性阶段，截面出现部分塑性区和部 分弹性区。 已屈服的塑性区，弹性模量E=0，不能继续有效地承载，导 致构件屈曲时稳定承载力降低。因此，只能按弹性区的有 效截面惯性矩Ie来计算其临界力和临界应力，即 说明考虑残余应力影响时，弹塑性屈曲的临界应力为弹性 欧拉临界应力乘以小于1的折减系数Ie/I。 比值Ie/I取决于构件截面形状尺寸、残余应力的分布和大小， 以及构件屈曲时的弯曲方向。 2

12、e 2 cr l EI N I IE I I Al EI A N e 2 2 e 2 2 cr cr 如图所示翼缘为轧制边的工字形截面。由于残余应力的影 响，翼缘四角先屈服，截面弹性部分的翼缘宽度为be，令 则绕x轴和y轴失稳时的临界应力分别为： AAbttbbb/ eee 2 x 2 2 1 2 1 2 x 2 2 x 2 crx 4/2 4/)(2 E hbt hbtE I IE e 2 y 32 3 3 2 y 2 2 y 2 cry 12/2 12/)(2 E bt btE I IE e 可见残余应力的不利影响，对绕弱轴屈 曲时比绕强轴屈曲时严重得多。原因是 远离弱轴的部分是残余压应力

13、最大的部 分，而远离强轴的部分则兼有残余压应 力和残余拉应力。 如图所示用火焰切割钢板焊接而成的工字形截面。假设由 于残余应力的影响，距翼缘中心各b/4处的部分截面先屈服， 截面弹性部分的翼缘宽度be分布在翼缘两端和中央。 则绕x轴失稳的临界力与上面相同， 而绕y轴失稳的临界应力为： ) 4 3 4 1 ( 12/2 )4/)(12/2 2 y 2 3 2 e 3 2 y 2 2 y 2 cry E bt bbbbtE I IE e 可见残余应力对绕弱轴屈曲时的不利影响，翼缘为轧制边 的工字形截面比用火焰切割钢板焊接而成的工字形截面严 重。这是由于火焰切割钢板焊接而成的工字形截面在远离 弱轴翼

14、缘两端具有使其推迟发展塑性的残余拉应力。 对绕强轴屈曲时残余应力的不利影响，两种截面是相同的。 考虑残余应力的影响后，将 使柱子曲线变为图中的实线 形式，残余应力的影响越大， 柱子曲线越低。 柱子曲线临界应力与长 细比的关系曲线 4.3.4 几何缺陷对轴心受压构件弯曲屈曲的影响 初始几何缺陷的种类： 初弯曲：实际轴心受压构件在制造、运输和安装过程中， 不可避免地会产生微小的初弯曲。 初偏心：由于构造、施工和加载等方面的原因，可能产生 一定程度的偶然初偏心。 因此构件除轴心力作用外，还存在因构件弯曲产生的附加 弯矩，从而降低了构件的稳定承载力。 1) 构件初弯曲（初挠度）的影响 如图所示两端铰接

15、、有初弯曲的构 件。y0为任意点C处的初挠度。当 承受轴力N时，挠度将增长为y0+y 并同时产生附加弯矩N(y0+y)。 假设初弯曲形状为半波正弦曲线： （式中v0为构件中央初挠度值）， 由内外力矩平衡条件，建立平衡微 分方程，可解得挠度和总挠度的曲 线分别为： lzvy/ sin 00 l z vy sin 1 0 l zv yyY sin 1 0 0 22 EE /,/lEINNN 中点挠度为： 中点的弯矩为： 1/(1-)为挠度放大系数或弯矩放大系数，体现了P效应的 影响。 1 0 )2/(m v YY lz 1 0 mm Nv NYM 荷载挠度曲线 挠度随N的增加而增 大。 有初弯曲的

16、轴心受压 构件，其承载力总是低 于欧拉临界力，只有当 挠度趋于无穷大时，压 力N才会接近NE。 纯弹性 弹塑性 0 00 m / 1 1/ /11 vY NN NN vv Y m E E 截面上的最大应力 在轴力N和弯矩Mm共同作用下，当挠度发展到一定程度时， 构件中点截面的最大压应力会首先达到屈服点fy。则设计时应 该满足： 杆件的临界应力受力最大截面边缘纤维达到屈服时的平 均应力 令N/A=0(平均应力)；W/A=(截面核心距)；v0/=0(相对初 弯曲)；则由上式可以求得： y E 0m max /1 1 / 1f NNAW v A N W M A N Ey 2 E0yE0y 0 2 )

17、1 ( 2 )1 ( f ff Perry公式 Ey 2 E0yE0y 0 2 )1 ( 2 )1 ( f ff 上式也称为Perry公式。相当 于上图中的a点，对应于边缘纤 维屈服，继续加载，塑性将继 续沿截面发展，直至全截面进 入塑性的c点。 c点所对应的荷载也称为压溃 荷载或整体稳定的极限承载力。 属于极值点失稳。 冷弯薄壁型钢结构技术规范 采用该法验算轴心受压构件的 稳定问题。 初始弯曲对临界应力的影响 。 施工规范规定的初弯曲最 大允许值是l/1000。 对不同的截面及不同长细 比的构件，都可以根据Perry 公式确定出cr，从而得到柱 子曲线，如图所示。 0 00 m / 1 1/

18、 /11vY NN NN vv Y m E E 2) 构件初偏心的影响 。 以a点为极限可得临界应力的正割公式。 初偏心对轴心受压构件的影响与初弯曲 类似，可合并为一种缺陷来代表。 4.4.1 实际轴压构件的稳定承载力计算方法 1) 需要考虑的缺陷 残余应力、初弯曲、初偏心。 后两者常合并为一种，统一用初弯曲来代表。 4.4 轴压构件整体稳定计算的实用方法 2) 轴压构件的荷载挠度曲线 弹性比例极限点弹塑性极值点(临界荷载Nu)下降段 3) 轴压构件临界荷载的计算方法 理想的轴心压杆 理想轴心受压构件的临界力在弹性阶段是长细比的单一函 数，在弹塑性阶段按切线模量理论计算也并不复杂。 非理想的轴

19、心压杆 但实际轴心受压构件受残余应力、初弯曲、初偏心的影响， 且影响程度还因截面形状、尺寸和屈曲方向而不同。 当实际构件处于弹塑性阶段，其应力应变关系不但在同 一截面各点而且沿构件轴线方向各截面都有变化。 因此极限承载力的计算比较复杂。 计算方法 一般需要采用数值法用计算机求解。数值计算方法很多， 如数值积分法、差分法等解微分方程的数值方法和有限单元 法等。 4) 柱子曲线 规范根据不同截面形状和尺寸、不同加工条件和相应的残余 应力分布及大小、不同的弯曲屈曲方向以及/1000的初弯曲， 按极限承载力理论，采用数值积分法，对多种实腹式轴心受 压构件弯曲屈曲算出了近200条柱子曲线。 影响极限承载

20、力的因素： 影响轴压杆极限承载力的主要因素是长细比。 此外，还受截面形状、弯曲方向、残余应力分布和大小等 影响。(所以即使长细比相同，极限承载力也不一定相同) 所以柱子曲线形成相当宽的分布带。 规范将这些曲线分成四组：a、b、c、d四条柱子曲线。在 =40120的常用范围，a比b高出415，而c比b低7 13，d则更低，主要用于厚板截面。 曲线中 ，称为轴心受压构件的整 体稳定系数。 ycryuy /)/ffAfN u （ 5) 柱子曲线的分组原则 一般的截面属于b类。 轧制圆管冷却时基本是均匀收缩，残余应力很小，属于a类； 窄翼缘轧制普通工字钢的整个翼缘截面上的残余应力以拉应 力为主，对绕x

21、轴弯曲屈曲有利，也属于a类。 格构式构件绕虚轴的稳定计算，不宜采用塑性发展的极限承 载力理论，而采用边缘屈服准则，与曲线b接近，故属于b类。 槽形截面用于格构柱的分肢时，扭转变形受到缀件的牵制， 计算绕自身轴的稳定时，可按b类。 对翼缘为轧制或剪切边或焰切后刨边的焊接工字形截面，其 翼缘两端存在较大的残余压应力，绕y轴失稳比x轴失稳时承 载能力降低较多，故前者归入c类，后者归入b类。 当翼缘为焰切边（且不刨边）时，翼缘两端部存在残余拉应 力，可使绕y轴失稳的承载力比翼缘为轧制边或剪切边的有 所提高，所以绕x轴和绕y轴两种情况都属b类。 高层中的钢柱采用热轧或焊接H形、箱形截面： 壁厚较大，残余

22、应力大；会出现三向残余应力；板的外表 面往往是残余压应力；厚板质量较差；等等原因，都会对稳 定承载力带来较大的不利影响。对某些较有利情况按b类， 某些不利情况按c类，某些更不利情况则按d类。 见表6.4.1和表6.4.2 4.4.2 轴心受压构件的整体稳定计算 1) 受压构件稳定验算公式 规范采用下面表达形式： 其中： N为轴心压力设计值；A为构件毛截面面积； 为轴心受压构件整体稳定系数，可以查附表4.14.4，也 可使用最小二乘法对表中数据进行拟合，采用下列拟合公式； f f fA N R y y cr R cr f A N 为构件的相对（或正则化）长细比。 使用正则化长细比，能使公式无量纲

23、化并能适用于各种 屈服强度fy的钢材； 1、2、3为拟合系数，见表6.4.3。 E f y 1 320 4.4.3 轴心受压构件整体稳定计算的构件 长细比 1) 截面为双轴对称或极对称的构件 计算轴压构件整体稳定时，长细比应按下列规定确定： 为了避免发生扭转屈曲，对双轴对称十字形截面构件，x 或y取值不得小于5.07b/t (其中b/t为悬伸板件宽厚比)。 x 0 x x i l y y0 y i l 2) 截面为单轴对称的构件 以上讨论均是针对构件失稳时只发生弯曲而没有扭转的情况。 但对于单轴对称截面，除绕非对称轴x轴发生弯曲屈曲外， 也有可能发生绕对称轴y轴的弯扭屈曲。 这是因为，当构件绕

24、y轴发生弯曲屈曲时，弯矩的存在和 沿杆长为非常数，将使截面形心上产生沿x轴方向的水平剪 力V。该剪力不通过剪心S，将发生绕S的扭矩。从而产生弯 扭屈曲。 能够证明相同情况下，弯扭屈曲比绕y轴的弯曲屈曲的临界 应力要低。在对T形和槽形等单轴对称截面进行弯扭屈曲分 析后，认为绕对称轴(设为y轴)的稳定应取计及扭转效应的 下列换算长细比yz代替y。 e0为截面形心至剪心的距离； i0为截面对剪心的极回转半径； y为构件对对称轴的长细比； z为扭转屈曲的换算长细比； It为毛截面抗扭惯性矩； Iw为毛截面扇性惯性矩，对T形截面(轧制、双板焊接、双角 钢组合)、十字形截面和角形截面可近似取Iw=0； l

25、w为扭转屈曲的计算长度 ，lw l0y 3) 角钢组成的单轴对称截面构件 上式比较复杂，对于常用的单角钢和双角钢组合T形截面， 可按下述简化公式计算换算长细比yz 对单面连接的单角钢轴心受压构件，考虑强度设计值折减系 数后，可不考虑弯扭效应的影响。 f A N R 当槽形截面用于格构式构件的分肢，计算分肢绕对称轴(y轴) 的稳定性时，不必考虑扭转效应，直接用y查出值。 4.5.1 均匀受压板件的屈曲 1) 矩形板件在压力作用下的弹性屈曲临界应力 实腹式轴心受压构件的组成板件为矩形平面板件。 承受均匀压力。 可能在达到强度承载力之前先失去局部稳定。 上一章给出了局部稳定的基本概念，并给出了考虑板

26、件间相 互约束作用的单个矩形板件的临界应力公式： 4.5 轴心受压构件的局部稳定 动画资源轴心受力构件11 )1 (12 2 2 2 cr b t v Ek 2) 弹塑性屈曲临界应力 受当轴心受压构件中板件的临界应力超过比例极限fp时，进 入弹塑性受力阶段。 变为弹塑性局部屈曲问题，此时板件变为正交异性板。 单向受压板沿受力方向的弹性模量E降为切线模量E，但与 压力垂直的方向仍为弹性阶段，其弹性模量仍为E。 这时可用 代替E，按下列近似公式计算其临界应力： 根据试验，规范取弹性模量修正系数为： 为构件两方向长细比的较大值。 E )1 (12 2 2 2 cr b t v Ek E f E f

27、y 2 y 2 0248.011013.0 1) 确定板件宽(高)厚比限值的准则 为了防止局部失稳，采用限制其板件宽(高)厚比的办法。 确定板件宽(高)厚比限值的原则： 等应力原则：使构件应力达到屈服前其板件不发生局部屈 曲，即局部屈曲临界应力不低于屈服应力； 等稳定原则：使构件整体屈曲前其板件不发生局部屈曲， 即局部屈曲临界应力不低于整体屈曲临界应力。 后一准则与构件长细比发生关系，对中等以上长细比的构件 发生弹性整体失稳时似乎更合理，前一准则对短柱比较适合。 规范在规定轴心受压构件宽（高）厚比限值时，主要采用后 一准则，在长细比很小时参照前一准则予以调整。 4.5.2 轴心受压构件局部稳定

28、的计算方法 2) 轴心受压构件板件宽(高)厚比的限值 轧制型钢(工字钢、H型钢、槽钢、T形钢、角钢等)的翼缘和 腹板一般都有较大厚度，宽(高)厚比相对较小，局部稳定问 题并不是很严重，一般不必验算。 对焊接组合截面构件，一般采用限制板件宽(高)厚比办法来 保证局部稳定。 工字形截面 翼缘： 翼缘为三边简支一边自由的均匀受压板， 屈曲系数k=0.425。 腹板薄，对翼缘几乎没有嵌固作用，弹性 嵌固系数=1.0。 弹塑性阶段，弹性模量修正系数按前面 公式计算。 并使局部屈曲临界应力crfy。 可得翼缘宽厚比限值为： y 235 )1 . 010( ft b 为构件两方向长细比的较大值。 当30时，

29、取30；当100时，取100。 腹板： 腹板为四边支承板，屈曲系数k=4.0。 翼缘板作为腹板纵向边的支承，对腹板将 起一定的弹性嵌固作用，嵌固系数=1.3。 弹塑性阶段，弹性模量修正系数按前面 公式计算。 并使局部屈曲临界应力crfy。 可得腹板高厚比限值为： 为构件两方向长细比的较大值。 当30时，取30；当100时，取100。 yw 0 235 )5 . 025( ft h T形截面 翼缘： 为三边支承一边自由，与工字形截面的翼 缘相同。 y 235 )1 . 010( ft b 腹板： 也是三边支承一边自由的板，但它的屈曲受到翼缘一定程 度的弹性嵌固作用，故腹板的宽厚比限值可适当放宽；

30、 又考虑到焊接T形截面几何缺陷和残余压力都比热轧T型钢 大，采用了相对低一些的限值。即： 箱形截面 箱形截面轴心受压构件的翼缘和腹板均 为四边支承板，但翼缘和腹板一般用单侧 焊缝连接，嵌固程度较低，可取=1.0。 借用箱形梁的宽厚比限值规定，即采用 局部屈曲临界应力不低于屈服应力的准则， 得到的宽厚比限值与构件的长细比无关， 即 yw 0 235 40 ft h 3) 加强局部稳定的措施 当截面不满足板件宽（高）厚比 规定要求时，一般应调整板件厚 度或宽（高）度使其满足要求。 对工字形截面的腹板也可设纵向 加劲肋，减小腹板计算高度。 纵向加劲肋宜在腹板两侧成对配 置，其一侧外伸宽度bz10tw

31、，厚 度tz0.75tw。 纵向加劲肋通常在横向加劲肋间 设置，横向加劲肋的尺寸应满足 外伸宽度bs(h0/30+40mm)，厚 度tsbs/15。 4) 腹板的有效截面 大型工字形截面的腹板，为满足高厚比限值的要求，需采用 较厚的腹板，往往很不经济。 为节省材料，仍然可采用较薄的腹板，允许腹板屈曲，利用 屈曲后强度，采用有效截面进行计算构件的强度和稳定性。 认为腹板中间部分退出工作，仅考虑腹板计算高度边缘范围 内两侧宽度各为 的部分和翼缘作为有效截面。 但在计算构件的长细比和整体稳定系数时，仍用全部截面。 y /23520ftw 4.6.1 截面设计原则 为避免弯扭失稳，实腹式轴压构件一般采

32、用双轴对称截面。 选择双轴对称实腹截面时，应考虑以下几个原则： （1）等稳定性原则：x=y，以达到经济的效果； （2）宽肢薄壁原则：满足局部稳定条件下，尽量开展，以提 高整体稳定性和刚度； （3）连接方便； （4）制造省工：构造简单，加工方便，取材容易。如选择型 钢时用钢量可能稍大，但制造省工和价格便宜。 4.6 实腹式轴心受压构件的截面设计 4.6.2 截面选择 1) 确定所需要的截面积： 假定构件的长细比=50l00，当压力大而计算长度小时取 较小值，反之取较大值。根据、截面分类和钢材级别可查 得整体稳定系数值，则所需要的截面面积为： 2) 确定两个主轴所需要的回转半径： f N A re

33、q / 0 xxreq li/ 0yyreq li 3) 求出所需截面的轮廓尺寸 ： 对于型钢截面，根据所需要的截面积和所需要的回转半径选 择型钢的型号（附录附录8）。 对于焊接组合截面，根据所需回转半径ireq与截面高度h、宽 度b之间的近似关系，即ix=1h，iy=2b，可得： 系数1、2与截面形式有关，近似值可参考附录附录5。 1 xreq i h 2 yreq i b 4) 确定截面各板件尺寸(对于焊接组合截面 )： 根据所需的Areq、h、b，并考虑局部稳定和构造要求，初选 截面尺寸。 h0和b宜取10mm的倍数，t和tw宜取2mm的倍数且应符合钢板 规格，tw应比t小，但一般不小于

34、4mm。 由于假定的值不一定恰当，按照所需的Areq、h、b配置的截 面可能会使板件厚度太大或太小，这时可适当调整h或b。 按照上述步骤初选截面后，按式(6.2.2)、(6.2.4)、(6.4.2)、 (6.5.3)和(6.5.4)等进行刚度、整体稳定和局部稳定验算。 如验算结果不完全满足要求，应调整截面尺寸后重新验算， 直到满足要求为止。 4.6.3 截面验算 f A N n x 0 x x i l y 0y y i l f A N yw 0 235 )5 . 025( ft h y 235 )1 . 010( ft b 当构件的腹板高厚比h0/tw80时， 为防止施工和运输中发生扭转变 形

35、、提高抗扭刚度，应设置横向 加劲肋，间距不得大于3h0，应成 对配置，尺寸应满足构造要求。 为保证截面几何形状、提高抗扭 刚度，对大型实腹构件，在受有 较大横向力处和每个运送单元的 两端，还应设置横隔。构件较长 时并应设置中间横隔，间距不得 大于截面较大宽度的9倍或8m。 翼缘与腹板的焊缝受力很小，可 按构造取hf=48mm。 4.6.4 构造要求 例题例题4.1 如图所示为一管道支架，其支柱的轴心压力（包 括自重）设计值为1450kN，柱两端铰接，钢材为Q345钢， 截面无孔洞削弱。试设计此支柱的截面：用轧制普通工字 钢；用轧制H型钢；用焊接工字形截面，翼缘板为焰切 边。钢材改为Q235钢，

36、以上所选截面是否可以安全承载？ 由例题所得到的结论：由例题所得到的结论： 选择普通工字钢比H型钢和焊接工字形截面的面积大很多 （65%75%）。这是由于普通工字钢绕弱轴的回转半径太 小，尽管弱轴方向的计算长度仅为强轴方向计算长度的12， 但弱轴长细比仍然远大于强轴，因而构件的承载能力是由弱 轴所控制的，对强轴则有较大富裕，这显然是不经济的。 若必须采用此种截面，宜再增加侧向支撑的数量。 轧制H型钢和焊接工字形截面，由于其两个方向的长细比 非常接近，基本上做到了等稳定性，用料更经济。 焊接工字形截面更容易实现等稳定性要求，用钢量最省， 但焊接工字形截面的焊接工作量大，在设计实腹式轴心受压 构件时

37、宜优先选用轧制H型钢。 改用Q235钢后，轧制普通工字钢仍可安全承载，而轧制H 型钢和焊接工字形截面却不行。 这是因为长细比大的轧制普通工字钢构件在改变钢号后， 仍是弹性失稳起控制作用，钢材强度对稳定承载力影响不大。 而长细比小的轧制H型钢和焊接工字形截面构件，由于原 设计的截面积比轧制普通工字钢就小许多，改变钢号后，钢 柱中的应力已处于弹塑性工作状态，钢材强度对稳定承载力 有显著影响。 可见：可见： 4.7.1 格构式轴心受压构件绕实轴的整体稳定 格构式柱截面具有对称轴，当轴心受压丧失整体稳定时，不 会发生扭转和弯扭屈曲，往往发生绕截面主轴的弯曲屈曲。 因此应分别计算绕实轴和虚轴抵抗弯曲屈曲

38、的能力。 实轴和虚轴的含义。 绕实轴的弯曲屈曲情况与实腹式轴心受压构件没有区别，其 整体稳定计算也相同。按b类截面查稳定系数。 4.7 格构式轴心受压构件 用于轴力较大、长度较小的柱用于轴力较小、长度较大的柱 4.7.2 格构式轴心受压构件绕虚轴的整体稳定 1) 格构柱缀件的形式 缀条式、缀板式。 2) 绕虚轴稳定验算的特点 实腹式轴心受压构件在弯曲屈曲时， 剪切变形影响很小，对构件临界力 的降低不到1%，可以忽略不计。 格构柱绕虚轴弯曲屈曲时，两个分 肢不是实体相连，缀件的抗剪刚度 比实腹式腹板弱，微弯时除弯曲变 形外，还需要考虑剪切变形的影响， 因此稳定承载力有所降低。 3) 格构柱绕虚轴

39、的临界承载力 考虑格构柱的变形由弯曲变形和剪切变形两部分组成 使用稳定理论，建立平衡微分方程，可以求得临界轴向荷载： 相应的临界应力为： 换算长细比： 2 22 2 2 2 2 2 1 1 )1 ( l EIl EI l EI l EI P cr 2 22 2 1 1 l EI E A P cr cr 2 2 2 2 0 11 EA l EI 令： 为单位剪力作 用下的剪切角； 4) 缀条式格构柱 单位剪切角为： 绕虚轴弯曲屈曲的换算长细比为： 绕虚轴弯曲屈曲的临界应力为： cossin 1 2 1x EA 1x 2 2 2 xox cossinA A 1x 2 2 2 x 2 2 0 x 2

40、 cr cossinA A EE x为整个构件对虚轴的长细比；A为整个构件的毛截面面积； A1x为一个节间内两侧斜缀条毛截面面积之和；为缀条与 构件轴线间的夹角。 一般斜缀条与构件轴线间的夹角在4070范围内，在 此常用范围， ，其值变化不 大。为了简便，规范按=45计算，即取上式为常数27。由 此换算长细比简化为: 注意：当斜缀条与柱轴线间的夹角不在上述范围内时，误差 较大，上式是偏于不安全的。应按精确公式计算。 7 .326 .25)cossin/ 22 （ 1x 2 xox 27 A A 5) 缀板式格构柱 绕虚轴弯曲屈曲的换算长细比为： 2 1 2 2 xox ) 2 1 ( 12 k

41、 1=l1/i1为柱肢的长细比；k=(Ib/c)/(I1/l1)为缀板与柱肢线刚度 比； l1相邻两缀板间的中心距；I1、i1为每个分肢绕其平行 于虚轴方向形心轴的惯性矩和回转半径；Ib为两侧缀板的 惯性矩之和；c为两柱肢的轴线间距。 一般情况下，k值较大，k6，因此缀板柱的换算长细比可以 简化为： k6时，应按精确公式计算。 2 1 2 xox 式中： 1=l01/i1为柱肢对11轴的长细比； l01为柱肢的计算长度，当缀板与分肢焊接时，为相邻两缀 板间的净距；当缀板与分肢螺栓连接时，为最近边缘螺栓 间的距离。 4.7.3 格构柱分肢的稳定和强度计算 1) 格构柱分肢的稳定和强度验算的原则

42、分肢既是组成整体截面的一部分，在缀件节点之间又是一 个单独的实腹式受压构件。故应计算分肢的强度、刚度和 稳定，保证各分肢失稳不先于格构式构件整体失稳。 当分肢长细比满足下列条件时可不必验算分肢的强度、刚 度和稳定性，将自行满足。 max为格构柱绕实轴长细比和绕虚轴换算长细比中的大值， 且不小于50； 计算1时，缀板柱的l01按前面要求计算，缀条柱时l01取缀条 节点间距。 4.7.4 格构式轴心受压构件分肢的局部稳定 格构式轴心受压构件的分肢承受压力，应进行板件的局部 稳定计算。 分肢常采用轧制型钢，其翼缘和腹板一般都能满足局部稳 定要求。 当分肢采用焊接组合截面时，其翼缘和腹板宽厚比应按式

43、(6.5.3)、(6.5.4)进行验算，以满足局部稳定要求。 4.7.5 格构式轴心受压构件的缀件设计 1) 格构式轴心受压构件的剪力 剪力的产生 绕虚轴失稳时，产 生弯曲变形，会产 生如图所示的弯矩， 弯矩的一阶导数就 是剪力，V=dM/dz, 其中M=Nv。 格构式轴心受压 构件中可能发生的 最大剪力设计值 23585 y f Af V 剪力的分布形式 为设计方便，此剪力V可认为沿构件全 长不变，方向可以是正或负。 剪力的分担 此剪力由各缀件面共同承担。 双肢格构式构件有两个缀件面，每面承 担V1=V/2。 2) 缀条设计 认为缀条与柱肢组成的平行弦桁架体系， 缀条可看作桁架的腹杆，其内力

44、可按铰接 桁架进行分析。 则斜缀条的内力为： V1=V/2为每面缀条所受的剪力；为斜 缀条与构件轴线间的夹角。 由于构件弯曲方向不同，剪力方向可正或 负，斜缀条可能受拉或受压，设计时应按 最不利情况作为轴心受压构件计算。 sin/ 1d1 VN 单角钢缀条与柱肢单面连接，受力时存在偏心。作为轴心 受力构件计算其强度、稳定时，应考虑相应的强度设计值 折减系数以考虑偏心受力的影响，详见6.2.1和6.4.3。 强度计算时的折减： 85%f 稳定计算时的折减： f A N 85. 0 n f A N R 构造要求 缀条最小尺寸：L454或L56364。 不承受剪力的横缀条主要用来减少分肢的计算长度，

45、其 截面尺寸通常取与斜缀条相同。 缀条的轴线与分肢的轴线应尽可能交于一点，设有横缀 条时，还可加设节点板。 有时为了保证焊缝长 度，节点处缀条轴线交 汇点可在分肢形心轴线 以外，但不应超出分肢 翼缘的外侧。 为减小斜缀条两端受 力角焊缝的搭接长度， 缀条与分肢可三面围焊。 3) 缀板设计 认为缀板与柱肢组成的单跨多层平面刚架体系。 假定受力弯曲时，反弯点分布在各段分肢和缀板的中点。 取如图所示的隔离体，根据内力平衡可得每个缀板剪力Vb1 和缀板与分肢连接处的弯矩Mb1： 式中：l1为两相邻缀板轴线间的距离，根据分肢稳定和强度 条件已经确定； c分肢轴线间的距离。 c lV V 11 b1 2

46、11 b1 lV M 根据Mb1和Vb1可验算缀板的弯曲强度、 剪切强度以及缀板与分肢的连接强度。 由于角焊缝强度设计值低于缀板强度设 计值，故一般只需计算缀板与分肢的角 焊缝连接强度。 缀板的尺寸由刚度条件确定，要求同一 截面处各缀板的线刚度之和不得小于较 大柱肢线刚度的6倍，即 若取缀板的宽度hb2c/3，厚度tbc/40和 6mm，一般可满足上述线刚度比、受力 和连接等要求。 )/(6)/( 11b lIcI 构造要求：缀板与分肢的搭接长度一般取2030mm，可以 采用三面围焊，或只用缀板端部纵向焊缝与分肢相连。 4.7.6 格构柱的横隔和缀件连接构造 设置横隔的目的：提高抗扭刚度、保证

47、运输和安装过程中 截面几何形状不变、传递必要的内力。 横隔的位置：受有较大水平力处、每个运送单元的两端、 较长构件的中间。 横隔的间距：不得大于构件截面较大宽度的9倍或8m。 横隔的做法：可用钢板或交叉角钢做成。 4.7.7 格构式轴心受压构件的截面设计 1) 双肢格构柱的截面选择 已知：压力设计值N、计算长度l0 x和l0y、钢材强度设计值f和 截面类型。 截面选择分两步：首先按实轴稳定要求选择截面两分肢的 尺寸，其次按绕虚轴与实轴等稳定条件确定分肢间距。 i.按实轴(设为轴)稳定条件选择截面尺寸 假定绕实轴长细比y=60100，当N较大而l0y较小时取较小 值，反之取较大值。根据y及钢号和

48、截面类别查得整体稳定 系数值，按公式(6.6.1)求所需截面面积Areq。 求绕实轴所需要的回转半径ireq=l0y/y（如分肢为焊接组合截 面 时 ， 则 还 应 由 附 录 5 的 近 似 公 式 求 所 需 截 面 宽 度 b=ireq/1）。 根据所需Areq、ireq(或b)初选分肢型钢规格(或截面尺寸)。 进行实轴整体稳定和刚度验算，必要时还应进行强度验算 和板件宽厚比验算。若验算结果不完全满足要求，应重新 假定y再试选截面，直至满意为止。 f N A req ii.按虚轴（设为x轴）与实轴等稳定原则确定两分肢间距 根据换算长细比0 x=y ，则可求得所需要的xreq： 对缀条格构

49、式构件 对缀板格构式构件 由xreq可求所需ixreq=l0 x/xreq，从而按附录5确定分肢间距 h=ixreq/2。 1x 2 y1x 2 oxxreq /27/27AAAA 2 1 2 y 2 1 2 oxxreq 上式中需要事先假定A1x，可按A1x=0.1A预估缀条角钢型号； 同样需要事先假定1，可按公式（6.7.8）的0.5max取用。 构造要求 两分肢翼缘间的净空应大于100150mm，以便于油漆。h 的实际尺寸应调整为10mm的倍数。 关于h的规定 2) 截面验算 按照上述步骤初选截面后，应验算格构柱绕实轴的稳定、 绕虚轴的稳定、整体刚度、柱肢的稳定等； 如有孔洞削弱，还应进

50、行强度验算； 进行缀件设计，按6.7.5进行。 如验算结果不完全满足要求，应调整截面尺寸后重新验算， 直到满足要求为止。 例题例题4.2 将例4.1的支柱AB设计成格构式轴心受压柱： 缀条柱；缀板柱。钢材为Q345钢，焊条为E50型，截面无 削弱。 4.8 梁与柱的铰接连接节点 1) 梁柱连接节点的分类 铰接连接：柱身只承受梁端的竖向剪力，梁与柱轴线间的 夹角可以自由改变，节点的转动不受约束； 刚性连接：柱身在承受梁端竖向剪力的同时，还将承受梁 端弯矩，梁与柱轴线间的夹角在节点转动时保持不变； 半刚性连接：介于铰接连接和刚性连接之间，连接除承受 梁端竖向剪力外，还可承受一定的弯矩，梁与柱轴线间

51、的 夹角在节点转动时将有所改变，但又受到一定程度的约束。 2) 节点类型的区分方法 实际工程中，理想铰接和刚接是不存在的。通常按梁端 弯矩与梁柱曲线相对转角之间的关系，确定节点的类型。 当梁与柱的连接节点只能传递理想刚性连接弯矩的20%以下 时，为铰接； 节点能够承受理想刚性连接弯矩的90%以上时，为刚接。 半刚性连接的弯矩转角关系较为复杂，它随连接形式、 构造细节的不同而异，必须通过试验确定。设计部门很难 办到，因此目前较少采用半刚性连接节点。 3) 梁支承于柱顶的铰接连接 梁的支座反力通过柱顶板传给柱身，顶 板与柱身采用焊缝连接。梁端与柱顶板采 用螺栓固定。顶板厚度一般取1620mm。 做

52、法一（如右图）： 梁端加劲肋对准柱翼缘板，使梁的支座支 力通过梁端加劲肋直接传给柱的翼缘。 构造简单，施工方便，适用于两梁支座反 力相等或差值较小的情况。当相差较大时， 柱将产生较大的偏心弯矩，变为压弯构件。 两相邻梁在调整、安装就位后，用连接板 和螺栓在靠近梁下翼缘处连接起来。 传力途径： 柱翼缘顶板与柱焊缝 柱顶板梁端支反力 梁下翼缘与柱顶板承压 做法二（如右图，梁端采用突缘支 座）： 突缘板底部刨平，与柱顶板直接顶紧， 支座反力通过突缘板作用在柱身的轴 线附近。 即使两梁支反力不等，偏心弯矩也很 小，柱仍轴心受压。 支反力由柱腹板承受，所以柱腹板不 能太薄。在柱顶板之下的柱腹板上应 设置

53、一对加劲肋以传递荷载。 加劲肋与顶板的水平焊缝应按传力需 要计算。 加劲肋与柱腹板的竖向焊缝要按同时 传递剪力和弯矩计算，因此加劲肋要 有足够的长度，以满足焊缝强度要求。 为了加强柱顶板的抗弯刚度，在柱顶 板中心部位加焊一块垫板。 为了便于制造和安装，两相邻梁之间 预留1020mm间隙。在靠近梁下翼缘 处的梁支座突缘板间填以合适的填板， 并用螺栓相连。 传力途径： 垫板垫板 焊缝焊缝 焊缝焊缝 柱腹板焊缝加劲肋焊缝 柱顶板垫板突缘板梁端支反力 端面承压 做法三（如右图，格构柱顶）： 为保证格构式柱两单肢受力均匀， 不论是缀条式还是缀板式柱，在 柱顶处应设置端缀板。 在两个单肢的腹板内侧中央处设

54、 置竖向隔板，使格构式柱在柱头 一段变为实腹式。 梁支承在格构式柱顶连接构造可 与实腹式柱的同样处理。 传力途径同实腹梁的做法一。 4) 梁支承于柱侧面的铰接连接 做法一（如右图）： 用于梁的支座反力不大时。 形式简单，施工方便。 梁端可不设支承加劲肋，直接放在 柱的承托上，传递剪力。 用普通螺栓固定下翼缘。 梁端与柱侧面预留一定间隙，在梁 腹板靠近上翼缘处设一短角钢和柱 身相连，以防止梁端向平面外方向 产生偏移。 做法二（如右图）： 适用于梁的支座反力较大时。 支座反力由突缘板传给承托，承托 用厚钢板或厚角钢制作。顶面应刨 平，和梁端突缘板顶紧并以局部承 压传力。 承托的厚度应比梁端突缘板的

55、厚度 大1012mm，承托的宽度应比梁端 突缘板的宽度大10mm。 承托与柱侧面用焊缝相连。 考虑支反力偏心的不利影响，承托与柱的连接焊缝按1.25倍梁 端支座反力来计算。 为便于安装，梁端与柱侧面应预留510mm的间隙，安装时加 填板并设置构造螺栓，以固定梁的位置。 两支反力相差较大时，对柱身应按压弯构件进行验算。 做法三（如右图）： 框架梁柱节点中经常用到。 施工简单方便。 梁端剪力通过高强螺栓传给连 接角钢，个数根据剪力确定。 连接角钢通过焊缝把剪力传给 柱子翼缘。此焊缝计算是应计 入偏心弯矩的影响。 做法四（如右图）： 梁与柱的腹板连接。 施工简单方便。 5.9 柱脚节点 1) 轴心受压柱柱脚的作用与要求 柱脚的作用： 将柱的下端固定于基础；将柱的下端固定于基础； 将柱身所受的轴力传给基础；将柱身所受的轴力传给基础； 将柱下端放大，以降低基础顶面与柱脚底面之间的压应力。将柱下端放大，以降低