门式刚架计算原理和设计实例之二

第二章轻型门式钢刚架设计的基本理论第一节结构布置和材料选用一、结构组成轻型门式钢刚架的结构体系包括以下组成部分：（1）主结构：横向刚架（包括中部和端部刚架）、楼面梁、托梁、支撑体系等；（2）次结构：屋面檩条和墙面檩条等；（3）围护结构：屋面板和墙板；（4）辅助结构：楼梯、平台、扶栏等；（5）基础。图2-1给出了轻型门式钢刚架组成的图示说明。图2-1轻型钢结构的组成平面门式刚架和支撑体系再加上托梁、楼面梁等组成了轻型钢结构的主要受力骨架，即主结构体系。屋面檩条和墙面檩条既是围护材料的支承结构，又为主结构梁柱提供了部分侧向支撑作用，构成了轻型钢建筑的次结构。屋面板和墙面板起整个结构的围护和封闭作用，由于蒙皮效应事实上也增加了轻型钢建筑的整体刚度。外部荷载直接作用在围护结构上。其中，竖向和横向荷载通过次结构传递到主结构的横向门式刚架上，依靠门式刚架的自身刚度抵抗外部作用。纵向风荷载通过屋面和墙面支撑传递到基础上。明二、结构布使置溉轻型门式钢园刚架的跨度子和柱距主要坊根据工艺和伴建筑要求确证定。结构布拜置要考虑的顽主要问题是屯温度区间的幕确定和支撑羡体系的布置青。撞考虑到温度房效应，轻型梳钢结构建筑茎的纵向温度顿区段长度不贩应大于30抗0m，横向期温度区段不岁应大于15牌0m。当建伴筑尺寸超过赔时，应设置末温度伸缩缝户。温度伸缩具缝可通过设猪置双柱，或捉设置次结构午及檩条的可钳调节构造来狮实现。征支限撑布置的目县的是使每个裹温度区段或梁分期建设的签区段建筑能肃构成稳定的庆空间结构骨古架。布置的丧主要原则如红下：岂（1）柱间幕支撑和屋面津支撑必须布创置在同一开留间内形成抵诊抗纵向荷载眠的支撑桁架姜。支撑桁架膀的直杆和单票斜杆应采用扫刚性系杆，欧交叉斜杆可秃采用柔性构唱件。刚性系么杆是指圆管凤、H型截面院、Z或C型驱冷弯薄壁截铲面等，柔性回构件是指圆呆钢、拉索等抱只受拉截面猾。柔性拉杆社必须施加预甜紧力以抵消键其自重作用康引起的下垂式；筹（2）支撑迫的间距一般御为30m-地40m，不贿应大于60谣m；粮（3）支撑求可布置在温返度区间的第茶一个或第二亿个开间，当喜布置在第二甘个开间时，盆第一开间的解相应位置应宝设置刚性系票杆；疮（4）填的支撑斜杆贷能最有效地扁传递水平荷锄载，当柱子券较高导致单胸层支撑构件圈角度过大时向应考虑设置飞双层柱间支惑撑；速（5）刚架客柱顶、屋脊闸等转折处应负设置刚性系膛杆。结构纵隆向于支撑桁突架节点处应听设置通长的型刚性系杆；魄（6）轻钢计结构的刚性愉系杆可由相罗应位置处的启檩条兼作，玩刚度或承载舟力不足时设壮置附加系杆钟。粉除了结构设衔计中必须正凤确设置支撑渡体系以确保铸其整体稳定纵性之外，还德必须注意结旁构安装过程邀中的整体稳齐定性。安装比时应该首先罪构建稳定的饭区格单元，拔然后逐榀将约平面刚架连址接于稳定单持元上直至完械成全部结构疯。在稳定的念区格单元形竟成前，必须幻施加临时支直撑固定已安石装的刚架部需分。特三、材料选泊择瑞1、材料类魂型还钢结构常用伍类型有：碳贸素结构钢、侨低合金结构污钢、高强度落钢、耐火耐热侯钢等。其借中，轻型钢惊结构一般采绝用碳素结构余钢和低合金衬结构钢。碳素结构钢什按含碳量的花大小，碳素乔结构钢可分缴为低碳钢、辱中碳钢和高陶碳钢。一般扔而言，含碳栗量为0.0梨3尘—锦0.25%镰的称为低碳姥钢；含碳量匙在0.26桶—否0.60%甜之间的称为姓中碳钢；含起碳量在0.乳60并—嘱2.00%换的称为高碳隆钢。含碳量牲越高钢材强种度越高，建上筑结构中主掘要使用低碳误钢。按钢材市质量，碳素笛结构钢可分符为A、B、玩C、D四个异等级，由A货到D表示质受量由低到高感。不同质量主等级对冲击测韧性（夏比丙V型缺口试锁验）的要求再有区别。A哨级无冲击功镰的规定；B别级要求提供陆20悟℃顽时冲击功剖（纵向）；撞C级要求提王供0裤℃谁时冲击功握（纵向）；抬D级要求提定供-20牺℃井时冲击功叼（纵向）。圾按冶炼中的混脱氧方法，歇钢材可分为偶沸腾钢（F规）、半镇静匠钢(b)、页镇静钢(Z社)和特殊镇扰静钢(TZ肚)四类。碳枕素结构钢的汗牌号和表示廊方式见表2龟-1所示。樱表2-1树碳素结构钢在的表示方法电牌号咬质量等级漆脱氧方法月说明造Q195膨——专F、b、Z办钢材牌号由敢代表屈服点季的字母Q、严屈服点、质叛量等级和脱另氧方法四个似部分顺序组如成。如：万Q235爸—粒A储·捏F野Q235调—非B教·端b写Q215逮A牙F、b、Z柿B隆Q235忙A按F、b、Z蛇B森C糕Z太D翅TZ讲Q255必A夺Z守B去Q275晨——刚Z磁低合金结构芒钢蹄低合金钢是表在碳素结构抹钢中添加一登种或几种少垫量的合金元划素（钢内各别合金元素的烂总含量小于熊5%），从裂而提高其强烈度、耐腐蚀赌性、耐磨性锤或低温冲击促韧性。低合粮金结构钢的欲含碳量一般功较低（少于腹0.20%陈），以便于佣钢材的加工芳和焊接。低茎合金结构钢赵质量等级分浊为A、B、院C、D、E纠五级，由A邪到E表示质怎量由低到高牧。不同质量举等级对冲击逆韧性（夏比柴V型缺口试罚验）的要求危有区别。A拳级无冲击功剖要求；B级节要求提供2欲0C服°充时冲击功A周k尘≥淋34J（纵慌向）；C级掌要求提供0局C倘°蜘时冲击功A匀k遭≥软34J（纵哭向）；D级胆要求提供－滩20C英°候时冲击功A蝴k胀≥损34J（纵渴向）；E级拍要求提供－站40C弱°接时冲击功A爱k朋≥宁34J（纵皇向）。不同隶质量等级对撑碳、硫、磷旅、铝的含量宜的要求也有秋区别。低合稀金钢的脱氧自方法为镇静绘钢（Z）或霉特殊镇静钢闸（TZ）。平表2-2嘉低合金结构诚钢的表示方延法症牌号歌质量等级身脱氧方法诚说明惹Q录295哪A味Z律钢材牌号由卖代表屈服点邻的字母Q、有屈服点、质剂量等级和脱井氧方法四个托部分顺序组加成。护如：互Q345B斯——索屈服强度3疤45N旧/煌mm沾2粗，B级镇静镰钢；牙Q390D防——糖屈服强度3碎90N傲/足mm逢2颂，D级特殊激镇静钢；根Q345C林——湖屈服强度3岛45N捷/铅mm杰2裕，C级特殊硬镇静钢；披Q390A孙——摘屈服强度3啊90N絮/拖mm廉2株，A级镇静续钢。诊B结Q财345郊A剖TZ难、Z昏B最C搞D衔E妖Q碑390舌A瘦TZ定、Z励B姻C宾D辞E丑Q乳420在A淋TZ打、Z腐B然C军D成E落Q宴460历C俱T茄Z恰D推E才碳素结构钢捷用于一般受快弯构件可以同充分利用钢液材的强度，奔而挠度和稳涌定的潜力很顺难充分发挥跟；而低合金朽结构钢构件摔的强度、挠注度和稳定三夜个主要控制佣指标较易均渗衡地得以发泉展，同碳素棍结构钢相比绕可以节约2昼0%左右的短钢材用量。桌2、钢材规望格耳钢结构所用坝的钢材主要睁为热轧成型展的钢板和型霸钢、冷弯成还型的薄壁型惰钢等。钢板饰钢板主要有谢厚钢板、薄甘钢板和扁钢固（带钢）。洗厚钢板：厚变度4.5英—订60mm，所宽度600梨—柜3000m争m，长度4何—傅12m；叠薄钢板：厚鹿度1.0雾—就4mm，宽载度500颠—讲1500m撤m，长度0你.5扩—笋4m；丹扁钢：岔厚度3从—斤60mm，粪宽度10棚—拍200mm铜，长度3技—柜9m。恳厚钢板主要拿用于焊接梁璃柱构件的腹织板和翼缘及泥节点板，薄兆钢板主要用净于制造冷弯描薄壁型钢，炭扁钢可作为灶节点板和连属接板等。热轧型钢膜钢结构常用之热轧型钢为厘角钢、槽钢乏、圆管、工咽字钢和宽翼峡缘工字型截训面等。宽翼奸缘工字型截洒面可用于轻架型钢结构中吴的受压和压急弯构件，其盘他型钢截面竟在轻型钢结发构中一般用坊于辅助结构刊或支撑结构奇构件。薄壁型钢甜薄壁型钢的幅截面尺寸可剃按合理方案让设计，能充仓分发挥和利寿用钢材的强矩度、节约钢因材。薄壁型翼钢的壁厚一医般为1.5讯—镇5mm，但享承重构件的伐壁厚不宜小赌于2mm。紫常用薄壁型坐钢截面有槽葛形、卷边槽割形（C形）搜、Z形等。咬轻型钢结构扫中的次结构沙构件如檩条夕等一般采用屋薄壁型钢。瓶3、钢材选庭用荐钢材选用的莫原则是既使投结构安全可念靠地满足使透用要求，又咐尽量节约结盾构钢材和降庙低造价。一悬般而言，轻齿型钢结构设妇计中钢材的露选择应考虑冲以下方面：墨结构类型及饭其重要性智结构可分为浙重要、一般付和次要三类裹。重级工作片制吊车梁和匪特别重要的揪轻型钢结构摄主结构及次秋结构构件属眠于重要结构腹；普通轻型绿钢结构厂房犯的主结构梁挠柱和次结构扒构件属于一葛般结构；而宰辅助结构中场的楼梯、平德台、栏杆等沸属于次要结咬构。重要结骂构可选用1挺6Mn钢或错Q235锋—颠C或D；一漠般结构可选缸用Q235男—蠢B；次要结来构可选用Q达235府—项B停·标F。抹（2）荷载帜性质箱荷载可分为槽静力荷载和呼动力荷载两掉种，动力荷含载又有经常争满载和不经败常满载的区辫别。直接承昌受动力荷载支的结构一般罚采用Q23偷5框—乎B、Q23扛5屑—悲C、Q23悲5跪—裹D及16M茂n钢，对于袋环境温度高夜于-20很℃离、旷起重量Q<留50t的中刺、轻级工作冷制吊车梁也服可选用Q2决35秤—抱B笑·智F。承受静溪力荷载或间存接承受动力榜荷载的结构射可选用Q2速35麻—茶B和Q23唯5惯—庆B泄·斧F。工作温度葵根据结构工歪作温度选择扬结构的质量尊等级。例如崇，工作温度喂低于-20吉℃蹦时宜选用Q昌235陵—搭C或Q23达5授—夫D；高于-炼20住℃叠时可选用Q坦235笛—飘B。唉第二节结瓦构设计的一笨般原则一、背景课建峡筑结构的设武计方法有容涛许应力设计索法和极限状妨态设计法两堆类。容许应担力设计法是毙建立在经验撑和近似假定丢基础上的设核计方法。极兽限状态设计两法是将荷载截和材料强度总处理为随机短变量的建立延在概率理论花基础上的设介计方法，目励前在国际上苏已被广为应宿用。我国自论《钢结构设辽计规范》（酸GBJ17吨-87）爷[6]煌和《冷弯薄怠壁型钢结构型技术规范》砌（GBJ1绞8-88）碌[5]凯起已经采用谈了极限状态税设计方法，霉《门式刚架挣轻型房屋钢注结构技术规外程》（CE劣CS102炸:98）矮[2]怠直接参照了抄国内外轻钢往结构设计规敢范采用了极拾限状态设计早法。但是，踩国际上仍有赞相当规范采相用容许应力篮设计法或同宋时提供了容比许应力和极竹限状态两种芒设计方法。彩极症限状态设计冶法是基于这泡样的认识：倍不同类型的李荷载，如恒胶载、活载、答风载、地震绞等，具有不谷同的分布规路律，并且其咸超载概率也苗不同。同容慢许应力法相骨比，极限状莲态设计法引稼入了荷载分矩项系数，这纲些系数对于赞不同的荷载场和不同的极朽限状态具有随不同的数值闷；不同的材吓料也具有不汪同的材料抗闭力分项系数六。极限状态福设计法是建君立在统一的再可靠度指标购上的，因而汁使结构具有栏一致的有效狭概率，能得岛到更为合理呀的荷载及其刻效应组合，恰从而导致更翻为经济和安怜全的设计结届果。读结增构设计的极录限状态分为仙承载能力极鹿限状态和正楚常使用极限钩状态两类。竞其中，结构芝构件的强度载、整体稳定硬、局部稳定袍验算属于承挂载能力极限月状态的范畴堆；结构及其毒构件的位移诊和刚度验算恨属于正常使脸用极限状态牙的范畴。一叙般设计时，局首先选择截圾面使结构满脏足承载能力性极限状态的诊要求，然后傅校核其是否确满足正常使哈用极限状态忘。亏二、承载能盗力极限状态傅结构的承载摇能力极限状行态是指在设朗计荷载作用陷下不发生强音度或稳定破秋坏。承载能裙力极限状态卷的一般表达扛式为：编笑燕捉昼设亮无觉强瞎（2车-1）进上式中，抵为结构重要络性系数；霉为最不利的尿荷载效应组寒合值；舌为结构的抗伟力。他结构的荷载废效应是结构严构件及其连捉接在荷载作铜用下的内力顶（或应力）竞，由结构分探析理论计算册得到，各类宿结构分析或敲设计软件（俗如ANSY搅S、SAP侧84、3D份3S等）是凳很有效和方故便的计算手成段。结构抗钳力是连接和友截面的强度揭及构件的稳准定承载力等争。坊必须注意，海计算承载能职力极限状态围时荷载效应肚和结构抗力肺都是指设计款值。变轻型钢结构资各个构件和烤各个连接节裤点都必须满兰足式（2-您1）。傅三、正常使汗用极限状态涂除寨了满足结构快的承载能力堪极限状态外腿，设计者还松必须确保结旅构在使用荷大载下能令人客满意地完成惹其预定功能凝。对于轻型惧钢结构而言缎，正常使用狼极限状态是涌指结构和构年件的位移满心足相应的容炒许值，这可歌以通过验算圣结构的变形阵来确保；同阶时结构和构服件不产生振员动，这可以玉通过限制构筹件的长细比遮来确保。服轻型钢结构馋的位移指标皇有柱顶侧移匙和梁柱构件奶相对变形两判项。位移验涨算的一般公展式为：失耕俘脑裕虏肝捞廉亿凝勉（2就-2）榆构谁件长细比验斥算的一般公针式为：尚完饿柳叛客挪墨词翻毙危充（2-骗3）超必三须注意：计坚算结构正常开使用极限状县态时必须采曾用荷载的标酒准值。摄轻杜型钢结构设谣计时，一般减先按照承载登能力极限状亩态设计构件眉截面，然后悠校核是否满稀足正常使用币极限状态。非由于轻型钢骄结构较柔，丰在很多情况坏下构件截面渴是由位移控辉制的。相对海而言，对于抽结构强度和搏稳定问题的吵研究要远比笑对于结构位耗移容许值的衬研究深入得素多。所以，依对于同一类雄结构体系，而各国规范甚欠至国内不同擦规程对于位侄移限值的规帮定也不一样烛。乘轻跌型钢结构位混移限值的确好定必须考虑印到以下因素课：俘（1）不能币影响到次结女构与主结构新之间、围护训结构与次结衡构之间的连左接承载能力兆以及围护结伙构连接处的熊水密性；麦（2）不能辨导致屋面板历排水坡度的汤过度平缓，带从而引起平庆坡积水和渗苗漏；蜜（3）不能塘引起屋面和修楼面梁以及返悬挂天花板骆产生视觉上变明显和过分即的挠度；腥（4）由于充抗风柱的支摆承，端部刚逝架梁竖向位消移较小，而网中部刚架梁撞位移相对较崇大。结构位汗移不能引起假屋脊线的明旅显挠曲；使（5）不能钩导致维修时魂屋面的扭曲仓运动；哀（6）风荷惹载作用下结脉构不产生过雪度扭曲运动榜及吱嘎有声辣；掘（7）不致腊影响和危及反悬挂于刚架饱梁上吊车的姨正常运行；丽（8）不致齿影响和危及溪轨道吊车的像正常运行；芹（9）不能努导致内外砖垫墙的开裂破奋坏。利四、荷载及姐其组合1．荷载絮作愈用在轻型钢古结构上的荷问载包括以下嗽类型：管（1）恒载悠(G)：结朽构自重和设糖备重。按现识行《建筑结岔构荷载规范抵》的规定采敢用；浊（2）活载印：包括屋面般均布活载、鹅检修集中荷启载(M)、葵积灰荷载(管D)、雪荷述载等。其中幅，《门式刚花架轻型房屋柄钢结构技术葱规程》（C础ECS10腾2:98）餐[2]众规定均布活结载的标准值裤（按投影面梁积算）取0圾.3kN/杠m2；检修颈集中荷载标膊准值取1.俱0kN或实胶际值；积灰廊荷载与雪荷么载按现行《矛建筑结构荷以载规范》(徐GB500断09-20垫01)滋[7]倾的规定采用块。均布活荷惯载与雪荷载皂不同时考虑伸，取其中较像大值(记为此L)计算；择积灰荷载与付雪和均布活承载中的较大目值同时考虑辫；检修荷载珠只与结构自羞重荷载同时柿考虑；偏（3）风载艇(W)：现饺行《门式刚辫架轻型房屋认钢结构技术不规程》(C英ECS10葛2:200用2)袭[3]父对于风荷载饱的取用是以约GB500勤09-20诸01为基础岁的，关于风秆荷载体形系辣数是按照美撇国金属房屋挖制造商协会剩MBMA《悄低层房屋体待系手册》（歼1996）瑞中有关小坡驻度房屋的规眯定取用的；循（4）温度挎(T)：按杆实际环境温宅差考虑；狡（5）吊车订(C)：按啊GB500塑09-20萌01的规定迷取用，但吊芬车的组合一湿般不超过两攀台；假（6）地震咽作用(E)成：按GB5占0009-四2001的屡规定取用，描不与风荷载挑作用同时考伙虑。串2．荷载组肥合排计算承载能鸽力极限状态楚时，对于轻依型钢结构可绣取下述荷载好组合拔[1][3洁][7]永：贡（1）1.俯2G+1.熄4L；侨（2）1.召2G+1.省4M；苹（3）1.玻2G+1.规4C;政（4）1.便2G+1.饺4W；欧（5）1.催2G+0.称9(1.4档L+1.4畜D)；坚（6）1.推2G+0.毒9(1.4溜L+1.4技W)；厚（7）1.崖2G+0.军9(1.4裤C+1.4鸦W);日（8）1.玩2G+0.登9(1.4不L+1.4弯T)；芳（9）1.突2G+0.哲9(1.4例W+1.4置T)锅（10）1腾.2G+1麦.4L+1帆.4E辅绩崇馆扶。向、苗、纽、晨、播等表示荷载耍的标准值。疗计例算正常使用朱承载能力时检，对于轻型蠢钢结构可取沃下述荷载组黎合：截（1）G+单L；泻（2）G+喝M；好（3）G+响C;骆（4）G+歪W；丙（5）G+川L+0.9免xD；蚂（6）G+夺L+0.6悔xW；激（7）G+桑W+0.7宅xL；槽（8）G+作C+0.6仪xW;将（9）G+旷W+0.7乳xC;哀（8）G+梨L+0.6稀xT;原（9）G+布W+0.6吗xT;蛙（10）G抬+L+E疑摇周蜂侦。被第三节计宏算模型和计墨算理论艰一、计算模口型涂轻逢型钢结构的滴功能形成过寻程可表示为旷：罢梁和柱通过卫高强螺栓连氧接揪→掏平面门式刚异架股凤熟梅赢庙乓意肃酱↓幅平面刚架通捷过支撑和系过杆煤→额空间刚架乌轨亲财屈萝做昏岂纪↓拖围护材料办+基础交→恐轻型钢建筑决忽略实际结拦构的蒙皮效腿应后可以得金到由空间梁活系组成的空燥间刚架，忽魂略空间刚架蔬的空间共同短工作效应后识可以得到由饭平面梁系组仇成的平面门题式刚架。忽辅略结构柱脚毙与基础之间慰连接的弹性炎刚度后可以朵得到理想的贝铰接或刚接绍的结构支座便条件。由实条际轻钢结构畅提取计算模懒型的过程如际图2-2所砌示：轻型钢建筑轻型钢建筑忽略蒙皮效应忽略蒙皮效应空间刚架空间刚架忽略空间共同作用效应忽略空间共同作用效应平面门式刚架平面门式刚架忽略柱脚与基础之间连接的弹性刚度忽略柱脚与基础之间连接的弹性刚度铰接或刚接支座的平面门式刚架铰接或刚接支座的平面门式刚架它图2-2屠轻钢结构的滔计算模型建效立众计算模型的乖简化和建立汗必须符合实摇际结构的受觉力特点；反蹈过来，实际叼结构的设计速也必须考虑羞到现有理论衰能够分析其毯计算模型储。霜二、蒙皮效磨应渡在垂直荷载取作用下，坡绸顶门式刚架胖的运动趋势煎是屋脊向下伙、屋檐向外悄变形。屋面武板将与支撑降檩条一起以荷深梁的形式丹来抵抗这一齿变形趋势。酱这时，屋面录板承受剪力刺，起深梁的柏腹板的作用苏。而边缘檩当条承受轴力店起深梁翼缘娇的作用。显循然，屋面板响的抗剪切能琴力要远远大醉于其抗弯曲逮能力。所以没，蒙皮效应踩指的是蒙皮制板由于其抗户剪切刚度对稻于使板平面件内产生变形桃的荷载的抵打抗效应库[26][测28][2搞9]斥。对于坡顶屯门式刚架，们抵抗竖向荷颗载作用的蒙膊皮效应取决苦于屋面坡度戒，坡度越大芦蒙皮效应越超显著；而抵谎抗水平荷载槐作用的蒙皮蚁效应则随着君坡度的减小衔而增加，见甩图2-3所梁示。摘图2-3腥蒙皮效应肤构成整个结民构蒙皮效应饺的是蒙皮单浆元。蒙皮单喝元由两榀刚趟架之间的蒙类皮板、边缘侧构件和连接脉件及中间构领件组成，如耐图2-6所筋示。边缘构蠢件是指两相逝邻的刚架梁音和边檩条（裹屋脊和屋檐袍檩条），中页间构件是指索中间部位檩闹条。派图2-4犁蒙皮单元宅蒙皮效应的足主要性能指忽标是强度和赏刚度。蒙皮略单元有以下断三种强度破活坏的可能性莫：益边缘构件破经坏拣边缘构件可滥能产生压弯泻失稳破坏或辈强度破坏，乐这类破坏属盈于脆性破坏蹲，在实际工站程中应尽量膀避免。束蒙皮板的剪虎切屈曲答这也是一种朽脆性破坏，跃当荷载较大蔬、钢板较薄脊或板型较差判时可能发生铺，在实际工盛程中也应尽孕量避免。连接破坏且连接破坏包巨括板之间的般连接破坏和惯板与边缘构羊件间的连接象破坏。板与志檩条之间的锻连接在平行晃于檩条方向巾的破坏属于碑脆性破坏，防其他破坏都叙属于延性破盒坏。周影响蒙皮单洒元刚度的因减素主要有以莲下三个：裙蒙皮板本身眯的变形刚度屈蒙皮板的变精形包括板的湿拱褶扭曲变耐形（所谓的即“岩手风琴扒”坛效应）和剪宁切变形。政连接件的变伟形刚度俱边缘构件的劝轴向变形刚恰度倍一般而言，央中间构件对氧蒙皮单元的鸭剪切刚度影页响不大，但杂对强度影响污较大。在屋碍面板型选中竿后，连接件既和边缘构件朽直接影响了挡蒙皮单元的弦抗剪刚度和蜡强度。梁由于蒙皮效距应，实际轻畜型钢结构建凭筑中，压型恨钢板在宏观持上参与了受洪力，为刚架务构件分担了咽一部分外荷湖载，同时在裕有良好连接推的情况下为企这些构件提淡供了很好的泉侧向约束和厦扭转约束，绢改善了结构蒙的受力条件音。特别对于管受稳定控制床的薄壁刚架姨构件和檩条份构件，蒙皮遣效应尤为显平著。然而，叙由于蒙皮效冒应的机理和辈作用条件及鸡效果十分复赏杂，在实际售工程设计中虚定量地应用低蒙皮效应还本有一定困难面。所以，现陵行设计规程父没有明确给胀出利用蒙皮饰效应的条款晓，所有设计胀计算公式都路忽略了蒙皮象效应，只是巾规定在有充绘分依据的条贼件下可以考霜虑蒙皮效应注。然而，必碧须注意的是联，设计中无济论我们是否错考虑蒙皮效丹应，蒙皮效睬应客观上都唯是存在的。扰例如，现行所轻型钢结构著设计规程对绳水平位移的膏限制是很宽气的，但实际酷上结构的实篮测值总是远违小于计算值寒；而实际工炕程中也发生怀过屋面压型迁钢板在正常伟工作荷载下波率先发生破耗坏的工程事找故。所以，剪忽略蒙皮效埋应的设计方遗法有时能得赢到偏于安全越的结果，有宪时又恰恰相顽反。考虑蒙溉皮效应的设挂计方法并不急仅仅具有经患济上的意义灿，更重要的才是可以使结骄构的设计工穴作状态与实眉际工作状态却更加一致。斩三、一阶弹牺性理论和二离阶弹性理论伸轻钢结构内进力和位移的纺计算采用一傻阶弹性理论幕，即线性的耻结构力学方溪法。一阶弹做性理论的基肌本假定是结每构处于弹性唱状态、结构浇产生的较小帅位移引起的树二阶效应可党以忽略不计各。如果结构屡的内力和位堆移采用一阶洒弹性理论可品以得到足够端精确的分析幼结果，这类背结构被称为兽线弹性结构件。截一阶弹性理姜论具有线性孔的可叠加特须性，即：荷姓载效应的组掀合结果与荷判载组合后的源效应分析结散果是一致的遭。荷载效应隔的组合结果日是指：首先蝴进行各单个陪荷载工况下宇的内力和位晚移效应分析万，然后进行溪效应组合叠盛加所得的结降果；荷载组拒合后的效应辟分析结果是厦指：首先进漂行荷载的组揉合叠加，然道后进行各组福合荷载下的当内力和位移靠效应分析结垂果。按照我狐国现行建筑革结构的设计焰规范规定，饺内力和位移滤的计算结果鹊应该是荷载作效应的组合参结果。事实狂上，轻钢结卸构的分析可比以取荷载效率应的组合值匹，也可以取洋荷载组合下肿的效应分析扇值，这两者山是一致的。咏但必须注意可，各单个荷皇载工况下结忍构构件内的蹈最大内力（优位移）所在则的位置是不职一样的，效稀应组合时必乳须计算并比押较确定最大端的效应组合雪值及其相应旬的位置；而表确定组合荷疾载作用下的锄构件内最大胡内力（位移极）及其相应聋的位置相对熟而言较为直冈接和容易。蹲事实上，一你阶弹性理论嗓是近似的。邻结构的节点炒位移会产生坑杆端内力的幕效应，而杆以件本身的变唇形也会产生哄杆身内力的哨效应，见图喊2-5所示贺。报和谅效应反过来娃又会引起结弦构位移的变佳化。这样的雁相互耦联和圆相互影响的类效应称为结巩构的二阶效情应。如果结挪构的二阶效腥应较大而不壮可忽略，必标须采用二阶僚弹性理论分室析其内力和漏位移，相应毙的这类结构唱也被称为非抽线性弹性结各构。附图2-5燥结构的讨和气效应轮二阶弹性理执论不具有线让性的叠加性闻质，即：荷倚载效应的组接合结果不再摇等于荷载组须合后的效应申分析结果。心非线性结构韵的内力和位继移是指组合版荷载作用下浩的效应。所众以，必须首净先对各荷载光工况进行组棋合，然后进抢行组合荷载佣作用下的结似构二阶弹性巧分析。涂一阶弹性理握论适用于线口弹性结构，泊其内力和位肥移计算值可昂以取荷载效正应组合值或践荷载组合下侮的效应计算钢值；二阶弹机性理论适用贴于非线性弹振性结构，其倦内力和位移搂计算值必须求取荷载组合功下的效应计咽算值。陆四、薄壁构纤件结构力学推轻型钢结构善中主刚架一帝般由焊接或川轧制型钢截缴面组成，内访力分析采用授一般结构力第学理论。一妄般结构力学矮理论研究结桐构及其构件建的弯曲问题驱，其重要假河定是平截面侄假定，构件兴因弯曲产生欧截面弯曲正拌应力产和弯曲剪应探力熔。干次结构的檩喂条一般为冷怖弯薄壁截面倡，冷弯薄壁凭型钢是在室厌温下将较薄款的钢板或带无钢通过冷轧走或冲压等加匙工手段，弯凉折成的各种稠截面的型钢慕。由冷弯薄暮壁构件组成扑的结构的分循析应采用薄旦壁构件结构异力学。薄壁驻构件力学研姑究构件的弯缝曲和扭转问鼠题，其重要掌假定是截面泼刚周边假定奥，构件截面滩内的应力包雷括弯曲正应裙力理、弯曲剪应按力纠、翘曲正应衔力燥、自由扭转句剪应力次和约束剪应签力养。妄开口薄壁构皂件在外力作储用下往往同常时产生弯曲啊变形和扭转皱变形。构件禾弯曲会产生晋截面正应力东和剪应力努。薄壁构件腥的扭转有自附由扭转和约岩束扭转两类糖。自由扭转笨只产生剪应壶力脆；约束扭转嘱会同时产生秀剪应力牵和翘曲正应味力芦。农在平行于形吉心主轴的外漏力作用下，糊如果外力与左截面剪力流继在两个形心简主轴方向和覆扭转方向平蠢衡，这个外如力的作用线逆就是剪应力章流的合力作旧用线，如图浸2-6所示杏。薄壁构件性中的弯曲剪申应力计算公讨式为：剪斤关撑叠等析帝辣如（2-4卸）裤这里，念表示外力；串、公、章分别为截面懒惯性矩、面唱积矩和板件已厚度。句由式（2-桂4）可见，腊弯曲剪应力脑在截面上的帆分布规律仅个取决于截面怀的面积矩，并而面积矩是惠由截面的几菊何形状决定痰的，所以全唱截面剪力流垃合力作用线晃也就只和截渐面的几何有株关。两个平男行于形心主末轴的剪力流取合力作用线独交于一点，咬这一点就是菠截面弯心，吉或称剪力中胖心，扭心。底截面剪心的该连线称为剪满心轴。当外妨荷载通过剪仰心轴时，构荒件只产生弯磨曲而不产生俭扭转薄[40]彩。哗图2-6抗平行于截面糟主轴的外力坟与截面弯曲享剪力流平衡雕当荷载不通袍过剪心轴时沙，荷载可以贼分解为过剪你心的力和扭闹矩，相应的呈构件的分析效也可以分解读为过剪心的蛛荷载作用下剧构件的弯曲浩和扭矩作用阴下构件的扭浊转，如图2仓-7所示。蜻考虑构件扭娘转的未知量屋是截面的扭钢角，其余的聚都只与截面车几何性质有忠关。掠图2-7堪荷载作用下肠构件的弯曲微和绕剪心的子扭转熊构件的扭转伍有自由扭转道和约束扭转界两类。构件国的自由扭转们符合条件（浙1）构件两族端受大小相揭等、方向相抢反的一对扭伐矩作用；（溉2）构件端接部无扭转约犁束。构件的把自由扭转引搭起的扭矩与谢构件厚度的画立方成正比完。构件的自禾由扭转剪应桌力表达式为津：所答辣受蝶警（摆2-5）披上式中：膜为自由扭矩哀；股G半为钢材的剪耕切弹性模量怒；舞I挎t少为截面抗扭童惯矩，纽，叠b拾i草,贫糟t棍i折分别表示各艺段板宽和板门厚。由考虑构件的酿约束扭转需国要用到一个逝新的广义坐到标累——雄扇性坐标，研见图2.8缓。图屈a选为薄壁构件禾横截面；图文b简表示一般扇衬性坐标的定瓣义，取剪心摆B为极点，艰截面中线任灵意点女n1袋为起点，以遇所考虑的截烧面中线上的仅点为计算点闯，以极点与寿起始点、计沙算点连线和贫截面中线围芳成面积的2侨倍，并规定倡以宾顺时针为正雪。当截面为谣规则直线段槽构成，扇性静坐标将很容踏易计算；图范c令所取起点合兽适，使得截轿面上扇性坐前标的积分为竭0，这样的敞扇性坐标为洞主扇性坐标舞。痰图2-8把扇性坐标和毙主扇性坐标匠扇性坐标可身以来表征截打面任意点的洲轴向位移，饱通过扇性坐观标可以定义情相应的扇性盒面积矩和扇租性惯性矩。铸约束扭转的飞应力可分解姑为翘曲剪应享力和翘曲正册应力。其中掏翘曲剪应力彻分布与扇性找面积矩图形浩相同，而翘崇曲正应力的冷分布同主扇士性坐标。翘态曲剪力流就敲可以在全截助面上合成约沙束扭矩，连游同自由扭矩芒合成总扭矩贱。而翘曲正沫应力对剪心敞形成双力矩托。所谓双力甜矩是指力矩猫F控与距力矩平钻面摊r恐一点C的力较矩，搭F叛×导r众称为对C租的双力矩，辈如图2-9未所示。图2牲-9的左图稼中力虹F诸相距括d恐，构成力矩智F成×光d拜，其相对清C吉点为力矩的竞力矩；右图西中表示扇性优法向应力对脱剪心B的双骡力矩。控图2-9屈翘曲正应力性和双力矩示幅意扬约束扭转引齿起的薄壁截刘面翘曲正应毛力和约束剪棍应力为：纸命加筛暮会余幕舒约（2-6）锹商描衣拢检忌究狭朵（2-7）态上式中，撕为翘曲正应孙力；护为翘曲剪应岔力；液为扭转角；逃为约束受扭芹正应力；始为主扇性坐熟标；泛为扇性静矩碎；奸为扇性惯性抚矩；课为扇性扭矩庆；悼为构件厚度挺。啊秆象民狮舰他谋舌应肥渣贺醉同类月潜户许畜药捷限政明琴第四节稳读定设计的基只本知识叶一、整体稳无定设计滑1．稳定问使题的基本类侮型洋结构稳定问誉题可分为以扫下五类：捡第一类稳定届问题：理想较结构的欧拉伙屈曲绑第二类稳定谜问题：实际职结构的极限核承载力击第三类稳定雹问题：屈曲鲁后极限承载柴力孩第四类稳定越问题：缺陷索敏感型结构押的稳定哥第五类稳定怀问题：跳跃窑型稳定妹五类稳定问谊题的荷载妈——在位移关系特禁征见图2-棉10所示。巨图2.10钢稳定问题蓄类型博图2-10嚼结构稳定严的基本类型巨如前所述，陪轻型钢结构刑的计算模型洲是平面刚架扁。平面刚架倒的整体稳定播设计可分为纽平面内整体奏稳定设计和拾平面外整体晓稳定设计两扯个部分。刚朴架平面内的昼整体稳定属毅于上述第二穷类稳定问题应，平面外整竖体稳定属于笑第一类稳定抗问题。轻型蓄钢结构构件庭的板件局部腰稳定问题属浓于第三类稳杏定问题。欲2．具有理吸想边界条件宿基本构件的饲整体稳定苹基本构件的障整体稳定设甘计是建立在始两端铰接、逆受两相等端座弯矩作用的订理想构件的晒分析基础上苦的，如图2鸽-11所示她。选图2-11鸡理想边界储单根构件的成整体稳定枯基本构件稳右定设计的基真本准则有三新个。殃准则一：临钢界屈曲荷载攻准则。以构衬件临界屈曲梳荷载作为构块件失稳的准征则，适用于弃压弯构件平做面外稳定和勾受弯构件的宗弯扭稳定设就计；河准则二：边钓缘纤维屈服己准则。以考左虑构件二阶恐效应后的截石面边缘纤维樱最大应力屈脊服作为构件匪失稳的准则且，适用于薄混壁构件压弯鸦平面内的稳鸦定设计；巾准则三：稳吸定极限承载纳力准则。以拖具有初始缺诊陷的实际构拖件的极限承某载力作为构葱件失稳的准爱则，适用于芳轴心受压构领件和压弯构咽件平面内的笑稳定设计。坟（1）轴心仓受压构件皆对于轴心受修压柱，初始煤缺陷、截面袖类型和尺度纷都会影响构培件的极限承闸载力。现行谜规范取多条嗓柱子曲线（霸曲线）来考胶虑各种影响私因素，并以赚统一的稳定严系数龙表示构件绕谊两个截面主榆轴的弯曲稳垮定和扭转稳晋定极限应力扰与材料设计永强度寨的比值，即道：栗绘鲜奏团伞曲气珍（2-暂8）棚于是，轴心帽受压柱平面箱内外弯曲和准扭转稳定的呈设计公式可猛写为：静珠衬拍集施常霸酒剩惯（2-摩9）眨上式中，茄和拥分别为构件斧所受的轴压检力和构件截砖面面积。期（2）受弯押构件滥对于受弯构谁件梁，平面帜内是强度问灵题，平面外疼是第一类稳阁定问题。其菠平面外稳定证设计公式为宪：蔽四背强四聚奇滔虑赏时（2-1随0）太上式中，竞、伙、缠分别为构件油的临界弯矩寿、临界应力赖和弯扭屈曲鸦系数。类和获分别为构件寄所受的弯矩鲁和构件截面抗抵抗矩。弱（3）压弯吴构件材对于压弯构大件平面内的钟稳定，现行束规范首先基背于截面边缘齿屈服的准则骆推导出带初纹始缺陷的构援件内二阶弯争矩的表达式耕及截面最大歌应力。在此鼓基础上进行或修正得到第雪二类稳定问亡题的设计公沃式。推导过巴程如下：拍截面最大应蒸力为：适威保曾奶翠寨（2点-11）深上式中，趋为端部偏心湖（代表初始蛛缺陷）；携为构件最大剧挠度；悟和载为构件所受岂的平面内弯归矩和截面抵登抗矩。饶假定构件挠群曲线为正弦走曲线分布，短根据外弯矩恐和截面内弯伶矩相等的条陆件可推导得办：后泳伐肃危（2-12望）移孤饱窗零滔厕幼买（2-裳13）帜上式中，当进外弯矩飞、喂时，峡。由此可推丽导得到浴的表达式，奏将积回代入式（球2-13）誉最后可推导剪得到截面上倦的最大应力句为：粗酸限抽衔擦稳煤(2存-14)亏考眨虑到构件平汤面内压弯失品稳破坏时，祖截面应力会遣有塑性深入袍，现行规范群的设计公式满是在式（2豪-14）的枯边缘最大应竟力基础上修背改得到的，竟其一般形式炎为：滩凯锻蜻趁商扬(渴2-15)翠上才式中，扶为截面塑性谎深入系数，瓣为常系数。得压弯构件平磨面外的稳定跳问题为第一坛类稳定问题全，现行规范构采用线性相锡关的形式近庄似和偏于安没全地得到构穴件稳定的设谊计公式，如塘下所示：回锹承趟锯容毕页莲（2-构16）长上筋式中，耀为构件平面害外的轴心受桂压稳定系数虑。激（哄3）双向压湿弯构件渴对于双向压匠弯构件，现努形规范采用陆近似和偏于兵安全的线性援相关公式给壤出构件绕两月个主轴的稳影定验算公式膊，如下所示呀：直绵芦态桃介蛋员（2-17躬）刃3．轻型钢挨结构整体稳伴定设计的基鉴本理论莫轻型钢结构炉刚架的稳定物设计包括平轨面内的稳定洁设计和平面斧外的稳定验敞算。主刚架麻平面内的稳痰定是由刚架族平面内的刚茎度和构件截译面刚度提供打的；主刚架产平面外的稳翁定是由结构闻纵向支撑和右构件截面刚啦度保障的。坏主刚架整体能稳定承载能偿力的精确数流值分析理论远是二阶弹塑岩性理论，二蛙阶弹塑性理镰论又称极限剖承载力理论配。同二阶弹茫性理论相比刻，二阶弹塑相性理论分析期时必须考虑式构件截面材坝料的塑性深宇入。虽然现挑在各种商用政软件包都可惕以进行结构森构件和体系监的二阶弹塑位性分析，但钥是现行规范毙还是采用近提似公式设计义结构的整体票稳定。其原悉因在于：（齐1）使用软魄件进行结构没的二阶弹塑息性分析需要宏较深的专业魄知识并耗费享较多的计算们计时，用于筒大量结构的欢工程设计无别论是从对工艺程师的要求味而言还是从筹工作效率而信言都不现实溉；（2）使坚用软件进行老结构二阶弹脂塑性分析得员到的稳定极蜡限承载力只雨是结构稳定熔的标准抗力齿值，而稳定激承载力的分民项系数与结迈构初始缺陷本等一系列随鹅机变量有关临，涉及基于泼可靠度理论秘的稳定设计鲁问题，目前转对这一问题前的研究还没代有可供实用怀的研究成果离。航主刚架整体蛋稳定的近似剩设计方法是卵将结构的稳埋定问题分解泛和等效为梁励和柱构件的轮稳定问题。阅采用弯矩不旺均匀系数考笔虑构件内实陡际弯矩分布阶；采用计算伙长度概念等川效考虑梁和幻柱构件在刚固架中的边界奥约束条件。饮（1）弯矩照不均匀系数莲弯矩不均匀匙系数晴反映了弯矩躺沿构件长度消的分布饱满牵程度。由于拿现行规范所谈考虑的基本芹构件是两端匠作用有相同鞠端弯矩的情孔况，即弯矩闸沿构件均匀谢分布，这时友。显然，弯带矩沿构件分孩布越不饱满叛，该应该越小。具此外，构件些的弯扭屈曲汇稳定系数祸中也考虑了汁横向荷载作件用位置的影匪响。如果横也向荷载作用艺于梁上翼缘帮，一旦梁弯征扭屈曲变形狗，荷载的二僵阶效应对于肺弯扭变形而根言会施加一堤个正向作用赛；而如果荷结载作用于下涝翼缘，其二满阶效应对弯凑扭变形是一浑个反向的作枕用。荷载分渡布和位置的块影响见图2渴-12所示年。锦图2-12铅荷载作用滚对稳定验算涛德影响者(2)计驶算长度确定藏现姓行规范关于权稳定设计的扛近似公式是旁基于两端铰程接这一理想茫构件的研究雪和推导得到养的。但是，乌实际结构中纳的梁和柱边孙界支承条件暮十分复杂。陡实际构件和废理想构件的塔等效原则是刚两者屈曲临私界力相等，膨根据这一等招效原则可以污得到实际构舞件的计算长摧度。换言之议，实际构件务是具有计算例长度的理想纹构件的一部闭分。这样，蹈规范的稳定馆设计近似公战式就可以直猛接应用于实蹦际构件，只距是以计算长鹊度代替实际晃构件长度。面记涂实际构件的紫屈曲临界力掏为楼，假定其计应算长度为丢。而长度为拾的理想构件排的屈曲临界竿力为袖。根据等效钉原则，计算正长度的一般菊公式为：肃晶辉忍欢娇这舱胶（哲2-18）种图2-13慢给出了简单哈边界支承条凝件下的构件辨的计算长度猪。图2.1俘4给出了实猪际主刚架结汽构中梁柱构麦件的计算长诚度示意。润图2-13夏简单边界斜条件下构件伯的计算长度剂图2-14震刚架柱的央计算长度逐由低前所述，确每定实际构件法计算长度的毕关键是确定崇构件的屈曲拐临界力。虽魂然现有商用风软件包可以松容易地确定伍各类结构及喊其构件的临砌界力，但是乒在实际设计璃中还是采用员简化的近似削公式或图表舱来确定构件日的计算长度嫌。原因在于环：=1\*GB3燕①甜商用软件包纱的使用要求悬较高的专业稠知识，对于屋量大面广的海工程设计的移广泛应用有庙一定困难；=2\*GB3没②吵一般而言，湖结构和构件肝的计算长度滥与作用其上验的荷载有关却。如果使用损商用软件进慨行计算，必飞须计算各个衣荷载组合下遣的计算长度两，取其最大输值（临界力何最小）作为徒设计时的计范算长度，工高作量过大。嗓基于上述原己因，现行规可范对于轻型行钢结构构件久的平面内稳植定计算长度每采用近似公萄式和图表计己算。轻型钢拘结构构件平质面外的计算茶长度为其侧凤向支撑点间尿的距离，其淹依据主要因愧为支撑点处茄一般为平面槐外失稳波形态的反弯点。槽可以认为交代叉支撑和刚冈性系杆与刚锁架梁柱的连淋接点为构件提的侧向支撑赞点。屋面檩半条和墙面檩址条往往连接避于梁和柱的删一侧翼缘，耕而梁和柱的彻两侧翼缘都传可能因受压蕉从而产生侧酷向失稳和侧挥向位移。所叫以，檩条和淋梁柱单侧翼还缘的连接点职不能作为梁垂柱构件的侧雨向支撑点，腹如图2-1燥5所示。象图2-15分刚架梁柱沟单侧翼缘檩棉条连接处不产能作为构件进侧向支撑腹但是，如果武檩条与构件澡连接处设置懂了隅撑（如玻图2-16殖所示），这公样的连接能塑否有效阻止畏构件两侧翼驳缘的侧向位伯移从而作为纸构件的侧向腔支撑点呢？敢如果是全敞衰开结构，隅垮撑连接处可窜以有效阻止垮构件的扭转伐变形从而阻划止构件的弯逆扭屈曲变形嘱，但是却不插能阻止构件嚼平面外的平集行性弯曲变永形。所以，沙构件弯曲稳捡定系数绘计算时应取插支撑刚性系锤杆连接间的乔距离作为平雅面外计算长屑度，弯扭稳蚊定系数熟计算时可取拐隅撑之间的踏距离作为计宏算长度。但每是，设置檩连条和隅撑的催轻型钢结构眯一般都为封煌闭式结构，倒围护板材的睁面内剪切刚邮度足以抵抗泳主结构构件侨绕其弱轴的卖弯曲变形，定所以构件平别面外弯扭失搞稳和弯曲失并稳系数计算编时都可以取种隅撑之间的序距离作为构忌件平面外的算计算长度。棒图2-16瓶刚架梁柱双季侧翼缘檩条盛隅撑连接处饱作为构件侧庄向支撑圾二、局部稳蛙定设计芝1．普通钢倍结构构件中毁板件的局部列稳定设计评普通钢结构捏构件的局部意稳定为第一思类稳定问题嫂，设计时不强利用板件屈茂曲后极限强错度。典型的圣工字形截面魂的局部失稳外波形和屈曲包应力见图2咐-17所示淘。贷图2-17首板件局部朗屈曲湾构件局部稳悟定的主要影导响因素是板古件宽厚比柿。设计时通液过限制宽厚叔比值来确保扒构件不产生标局部失稳，弓局部稳定的嫂设计原则有陵以下三类：控（1）直接逢设计：效（2）等强承原则：猎（3）等稳闭原则：搏当局部稳定格不满足要求菌时，可采用撞以下三种措浓施：跌（1）增加铺厚度。这一摔方法将增加其结构构件的父自重缴，从而浪费市材料；圆（2）减小手板件宽度。砌这一方法将途导致降低截狂面强度和构母件的整体稳肯定承载力；疼（3）设置尚加劲肋。这亿一方法既经继济合理又可剧靠有效。竿轻型钢结构护构件中板件愿的局部稳定棒设计举轻型钢结构谦构件的局部龟稳定属于第涂三类稳定问湖题，设计时王充分利用板开件的屈曲后是极限强度。聚一般将截面颤内板件区分生为加劲板件销（H形和箱莫形截面的腹共板）、未加泰劲板件（H周形截面的翼利缘）、部分斗加劲板件（伤C形截面的找翼缘）等。弄加劲板件的豪屈曲后强度捷来源于板件东的薄膜效应狭。将板设想擦成沿荷载方亲向的纵向板繁条和横向的涨板条。当压如力达到临界菜，纵向板条仅由直变弯，货横向板条因御而受拉约束萄纵向板条的臂凸曲，故板棕件仍能继续注承载直至板退带边缘屈服墓。当然，利合用板件的屈港曲后强度，钥板件内的应嗓力并不均匀遮，表现为中赔间小，两端勾大。有效宽殊度的概念就逆是假设中间乌板带无效，狮两端一定宽少度内的应力肿都达到屈服壳强度上，见图2-统18。坊图2-18谁有效宽度漂和有效面积阳未加劲板件蒜的屈曲虽然良没有横向薄功膜应力，支厉承边的弹性恨约束可以使京板件所承受纷的荷载有所雨增大，理论矿上仍有一定隔的屈曲后强州度可以利用龄；但是由于既当翼缘屈曲巴后有效宽度禁减小，有效宁截面的形心醒偏移，造成摸荷载对截面宅形心产生偏避心力矩从而中影响翼缘的劝屈曲后承载闷能力。所以窑未加劲板件霜的屈曲后强党度一般都只饶作为强度储蜂备。血边缘加劲构乒件对翼缘一逼边是相邻板苹件的弹性支惹承，一边是植板件卷边对射板件的简支耗支承；对卷姑边则是一边慌翼缘简支支红承，一边自糠由。两块板掠件相互支承摘，相互影响巴。其屈曲模刑式复杂，当盏卷边具有适嗓当的宽厚比垃，卷边不先仪于翼缘屈曲开，翼缘同加劝劲板件；当在卷边过窄，卫则出现象轴烘心压杆似的罪平面内屈曲诱，翼缘随同夸卷边变形，轻当卷边过宽贡，则卷边也涨趋于先屈曲燃。当然，卷他边对翼缘是扒否能充分加野劲是一个非备常复杂的问狂题，不仅同剃截面上卷边披同翼缘尺寸讲有关，还同克纵向构件的舱支撑长度有怒关。硬例如对于卷储边槽钢构件葛，腹板作为闪加劲板件来金处理，翼缘辉为边缘加劲茄板件，但是网腹板和翼缘篇之间屈曲也挪有相关性。碍相邻的强板轨会对弱板起唤支承作用，科各板件屈曲末后，整个截窜面具有屈曲瓶后强度，直忙至各板件相姜交转角处达炎到屈服点为管止。在有效用宽厚比设计掠方法中需要呢考虑板组效谎应的约束影幼响。忍与碑板件有效宽桐度概念相对涉应的是截面章的有效面积使。在截面强脾度和构件整恋体稳定设计物时，采用有择效截面的特榴性（面积、咳抵抗矩）替稻代相应的全腐截面特性进搁行计算，意罗味着设计时奇已经利用了修截面板件的肥屈曲后强度浮。这样的设论计思想意味盼着容许截面访板件在承载僵能力阶段发板生局部失稳慎。但是，验煎算结构的位赠移和刚度时克取全截面特规性，说明在兰正常使用阶替段不考虑截怨面板件产生滩局部失稳。搅由登于设计时考友虑了构件板嫩件的屈曲后摆极限承载力今，一般而言怪，轻型钢结随构构件中无矮需配置加劲炉肋。但是，继构件在起吊稻按装过程中矩往往因为截我面抗扭刚度粱较小而发生喉破坏。所以袭，对于跨度监较大的轻型付钢结构构件造，应该设置抬构造加劲肋叼以防止安装颈过程中截面腹产生扭转折云曲。则第五节优毙化设计的基撤本知识掀一、结构优舟化设计的基养本概念溜传统的结构叨优化设计，银实际上指的逃是结构分析扶，其过程大殖致是假设玩-贺分析口-嗽校核本-盛重新设计。滑重新设计的斩目的也是要捷选择一个合疯理的方案，岸但它只属分窄析的范畴；剪且只能凭设削计者的经验联作很少几次暮重复以通过辉“垃校核鼻”阁为满足。结丝构优化指的测是结构综合布，其过程大熔致可归纳为尸：假定所-纷分析摧-献搜索叮-茶最优设计四御个阶段。其企中的搜索过韵程是修改并填优化的过程糊。它首先判吐断设计方案陶是否达到最遣优（包括满布足各种给定门的条件），域如若不是，伯则按某种规杯则进行修改掀，以求逐步寇达到预定的已最优指标。治优化设计的颂过程如图绸2-19杀所示似[32]-招[35]爬。给定初始方案给定初始方案结构分析优化检验输出优化结果优化处理（重设计）满意不满意图2-19优化过程图商1衰．结构优化市设计的数学符模型食结构优化设朱计可定义为命：对于已知许的给定参数劳，求出满足锡全部约束条险件并使目标虫函数取最小看值的设计变绞量的解。这脖个定义可用佣数学方式表淡示为：北急刻膏(2柳-19)建其中，纽称为设计变抬量，均称为目标函亮数，鲜，他所在方程称驳为约束条件造。啦2敌．设计变量阅设计变量指拉在设计过程矩中所要选择效的描述结构肥特性的量，接它的数值是朝可变的。设仓计变量可以常是各个构件高的截面尺寸敲、面积、惯败性矩等设计惹截面的几何仆参数，也可亮以是柱的高姨度、梁的间奇距、拱的矢棚高和节点坐题标等结构总兵体的几何参笔数。设计变锻量通常有连讨续设计变量秆和离散设计队变量两种类门型。压（贡1多）连续设计察变量。这类盒变量在优化冰过程中是连李续变化的，胜如拱的矢高渠和节点坐标傲等。朱（乌2敞）离散设计户变量。这类凑变量在优化象中是跳跃式指变化的，如娘可供选用的裙型钢的截面真面积和钢筋乏的直径都是么不连续的。泛3网．目标函数会目标函数是眉用来衡量设拼计好坏的指饶标。采用何跑种指标来反冷映设计好坏辜与结构本身蜂的技术经济询特性有关。般通常采用的马目标函数有道：结构重量版、结构体积特、结构造价菠三种。换4普．约束条件吉结构优化的逗约束条件一磁般有几何约杏束条件和性给态约束条件碑两种。觉（抗1破）几何约束宰条件。即在烈几何尺寸方浊面对设计变经量加以限制嫁。如工字型宽截面的腹板盯和翼缘的最穴小厚度限制约。艳（冲2魔）性态约束伤条件。即对爪结构的工作张性态所施加返的一些限制百。如构件的圈强度、稳定唇约束以及结竹构整体的刚司度和自振频齿率等方面的顽限制。米二、轻钢结赤构优化设计劫的数学模型舰轻钢结构设迫计的最终目念的是要给出问一个经济合旧理的设计方春案。优化设填计方法，能屑较好地适应术这方面的要泡求。轻钢结责构采用优化戒设计，对于矿减轻结构重咬量、降低用助钢量和结构骡造价有着明任显的意义。储目前国内对拆轻钢结构的惠优化设计已姿进行了一些燕研究和应用崭，编制了相牵应的计算程蚁序，利用计晃算机实现了及对截面的自却动优选以求嗽得重量最小夺、用料最省接或造价最低吵的设计方案拾。这对于提狠高轻钢结构膛的设计质量葛，加快设计彩进程都起了合一定的作用卸。下面针对汉轻钢结构建垂立其优化设酸计的数学模破型。著1．设计变妇量社轻钢结构的闻主要几何参逝数如跨度、例檐口高、屋听面坡度、纵未向柱间距等状通常由业主遮或建筑师确豆定。可供优兆化的变量主响要是截面参派数。具体说棒，就是各工山字钢截面的谈翼缘宽、厚棋，腹板的高恶、厚等。钢盲板的厚度是倍离散变量，哄而腹板和翼惊缘的高（宽深）一般也是僻从一系列有似规律的数中裁选取，因此歼轻钢结构的叠设计变量通笑常是离散变女量。茅2．目标函叮数威结构重量是往轻钢结构优拢化设计的重省要指标，且眯比较容易写岗成设计变量买的函数形式阻，故轻钢结匆构通常以用拖钢量最少为欧优化目标。约束条件删轻钢结构优荐化设计必须旗满足以下约耗束条件：哭（多1油）强度、稳海定约束条件龟。荣轻钢结构构牙件必须满足尘强度和稳定裤要求。糟（裤2杰）刚度约束兄条件。乖轻钢结构的握构件尺寸在雄优化时，结血构的整体刚刊度必须满足北变形控制要祸求。具体说殃，就是横梁界的最大垂直峡位移、柱顶帅的最大水平饭位移、吊车邪轨顶处的最谈大水平位移带等必须满足政有关规范规唇定的变形控刻制值。市（镜3透）截面尺寸枣约束条件。久轻钢结构截漆面尺寸的选脖择必须满足术有关规范的笨构造要求和注使用要求，赖如所有截面投的腹板高度部必须大于翼怀缘宽度，所买有截面的翼怎缘厚度必须虾比腹板厚度吉大发2mm裳以上等。尽（名4喇）结构整体新约束条件。君轻钢结构的亡优化设计必苍须满足结构壤整体约束条笛件，即构件球截面尺寸的旱选择必须要衡保证梁、柱敬截面的连续送性以及合理询性，满足常察规的加工和壮使用要求等惑。烤（军5取）变量的上招、下限约束冤条件。确三、结构优丙化方法简介兵1．简单解窗法毒当优化问题蹦的变量较少呢时，可用下态列简单解法晕。躺（月1却）图解法。圈在设计空间飘中作出可行辅域和目标函负数等值面，混再从图形上武找出既在可辜行域内（或挎其边界内）袄，又使目标哑函数值最小绿的设计点的摄位置。造（丑2裁）解析法。雀当问题比较充简单时，可零用解析法求盾解。2．准则法温准则法是从装工程和力学和观点出发，侦提出结构达枪到优化设计底时应满足的插某些准则（由如同步失效盯准则、满应爬力准则、能投量准则等）悦，然后用迭伪代的方法求毫出满足这些密准则的解。遣该方法的主粘要特点是收粥敛快，重分精析次数与设歼计变量数目脆无直接关系朱，计算量不蜘大，但适用避有局限性，材主要适用于厦结构布局及带几何形状已时定的情况。蔑尽管准则法服有它的缺点举，但从工程惑应用的角度血来看，它比平较方便，习丧惯上易于接酷受，优点仍慧是主要的。沾最简单的准兰则法有同步吸失效准则法匙和满应力准描则法。秒（普1叶）同步失效伤准则法。其久基本思想可茧概括为：在工荷载作用下坦，能使所有匆可能发生的秧破坏模式同勤时实现的结荐构是最优的火结构。同步尝失效准则设港计有许多明吊显的缺点。伤由于要用解蚕析表达式进叙行代数运算墙，同步失效贿设计只能用自来处理非常扑简单的元件被优化；当约秀束数大于设扰计变量数时砍，必须设法凤确定那些破查坏模式应当而同时发生才殖给出最优设览计，这通常变是一件十分衬困难的工作佣；当约束数仓和设计变量害数相等时，掏并不能保证舞这样求得的厨解是最优解途。色（敌2骡）满应力准岭则法。该法裂认为充分发坝挥材料强度狠的潜力，可差以算是结构固优化的一个辛标志，以杆笼件满应力作芬为优化设计窄的准则。这际一方法在杆啄件系统如桁申架的优化设米计中用得较妨多。在此基屯础上又发展椒了与射线步园结合的齿行练法以及框架守等复杂结构喜的满应力设青计。勿3轨．数学规划牛法纵将结构优化岂问题归纳为乖一个数学规雾划问题，然似后用数学规喝划法来求解岭。结构优化榴中常用的数夺学规划方法规是非线性规毕划，有时也宏用线性规划剧，特殊情况医可能用到动样态规划、几印何规划、整羽数规划或随广机规划等。羞（麦1我）线性规划恐。当目标函馋数和约束方槽程都是设计堂变量的线性称函数时，称捞为线性规划座问题。该类涝问题的解法爷比较成熟，汽其中常用的白解法是单纯贯形法。挑（呆2车）非线性规受划。当目标舅函数或约束睡方程为设计奥变量的非线悠性函数时，累称为非线性错规划。结构盖优化设计多环为有约束的画非线性规划潮问题。这类躬问题较线性刃规划问题复柳杂得多，难昼度较大，目裤前采用的方绵法大致有以分下几种类型哨：不作转换酬但需求导数咸的分析方法逝，如梯度投科影法、可行徒方向法等；怜不作转换也吸不需求导数钳的直接搜索志方法，如复艘形法；采用捡线性规划来精逐次逼近，糠如序列线性巧规划法；转寺换为无约束藏极值问题求懒解，如罚函灾数法、乘子澡法等。4．混合法姓混合法即同约时采用准则崭法和数学规迁划法。如5询．启发式算匹法参近些年来发煤展起来了一雨些启发式算报法。这些算伶法有遗传算毙法（井GA挡）、神经网闪络算法、模迷拟退火算法驶等。它们在巷结构优化领均域得到了一监些应用。如罢文献昏[4]对将遗传算法呜用于门式刚栋架的优化设归计。钳四、轻钢结惯构的满应力较设计协满应力设计马是结构优化盾的各种算法外中最简单、纲最易为工程等技术人员接会受的一种算啦法。其基本挖涵义是：结博构每一构件掠的应力，至孔少在某一工缓况下达到材招料的允许应罢力。满应力糠设计中，目压标函数并不另出现，这种辨寻求一个满荐足某种准则绒的设计、暂刷且不管目标喘函数的做法魄是准则法设搞计的基本特南点。目前，肃轻钢结构软晓件的优化设吉计大多采用汉满应力设计矩。轻钢结构息的设计变量玉通常是离散锯变量，属于腰离散变量优届化设计范畴党。下面先介始绍设计变量托是连续的常症规的满应力乌设计方法，腾再将其推广休到轻钢结构俯基于离散变线量的满应力许设计。收结构满应力铜设计棋以桁架为例承说明满应力蛋设计的基本吐思想。在这铅种结构中，驶作为设计变怪量的截面面涌积与杆件的偏刚度成正比漂，可直接应下用应力比方少法。对于弯统曲构件傍-铃梁、柱、板诉组成的结构内，刚度与设涌计变量的关晌系比较复杂英，但是，仍痕然可以采用储推广了的、侵带有一定近杯似性质的满网应力设计。苦具体情况可瓣参见文献纯[3赏4魂]晕。迁结构的满应素力设计从比侦较合理的初铲始截面面积横分布出发，羊利用结构分斜析，求出各梯工况作用下躁各构件的应缺力，然后，域对每一构件杰，从不同工求况下的应力征中找出最临岗