《钢结构制作与安装》课件-10-轴心受力构件

轴心受力构件强度和刚度1目录CONTENT整体稳定性2柱头和柱脚4局部稳定性3PART01强度和刚度轴心受力构件在桁架、刚架、排架、网架、塔架、支撑以及网壳等钢结构受力体系中都有广泛的应用。这类结构通常假设其节点为铰连接，其受力特点是只承受通过截面形心的轴向力作用。根据轴向力方向的不同，可分为轴心受拉构件和轴心受压构件。轴心受力构件包括轴心受拉构件与轴心受压构件。当无节间荷载作用时，只受轴向拉力和轴向压力的作用。

结构受力及特点图4-1轴心受力构件NN（1）作用在构件上的荷载是轴心压力或轴心拉力；（2）构件理想的直杆；（3）构件无初应力；（4）节点铰支。轴心受力构件分为轴心受拉构件和轴心受压构件，主要用于承重结构，它们广泛应用于桁架网架、塔架和支撑等结构中。图4.2轴心受力构件在工程中的应用(a)桁架；（b）塔架；（c）网架轴心受力构件的实际应用++++++++b)图4-3轴心受力构件截面形式a)b)轴心受拉构件其截面形式主要有型钢截面（包括热轧型钢、冷弯薄壁型钢）和由型钢组成的实腹式截面（T形、十字形等）。轴心受压构件轴心受压构件按截面形式可分为实腹式和格构式两大类。实腹式构件在腹部处往往有钢板直接承受压力，如工字钢截面。格构式的截面一般多由两个或多个型钢分支通过缀板或缀条连接而成。热轧型钢、冷弯薄壁型钢、实腹式组合、格构式组合。截面形式一般分为两类，第一类是热轧型钢截面（a）；第二类是型钢组合截面（图b）或格构式组合截面（c）。图（a）热轧型钢截面图（b）型钢组合截面图（c）格构式组合截面截面形式分类式中：N—荷载引起的轴心拉力或压力

An—净截面面积

f—钢材抗拉或抗压设计强度一、轴心受力构件的强度要求：净截面平均应力不超过设计强度。验算公式：轴心受力构件的极限状态承载能力极限状态轴心受拉构件只需进行强度验算轴心受压构件除强度验算还有稳定问题轴心受力的强度问题二、轴心受力构件的刚度轴心受力构件的刚度是以他的长细比来衡量的式中：l---构件最不利方向的长细比，一般为两主轴方向长细比较大值.lx

=lox/ix，ly

=loy/iy

lo-----相应方向的构件计算长度

i-----相应方向的截面回转半径[l]-----受拉或受压构件的容许长细比。轴心受力的刚度问题PART02整体稳定性一、关于稳定问题的概述(a)稳定：一理想直杆，当轴心压力小于某值时，杆件处于直杆平衡状态，这时如果由于任意偶然外力的作用而发生弯曲，当偶然外力停止作用，杆件立即回复到直杆平衡状态；(b)临界(中性平衡)：当偶然外力停止作用，杆件不恢复到直杆状态而处于微微弯曲的平衡状态(c)不稳定：扰动变形持续增加；稳定问题概述失稳类型：弯曲屈曲，扭转屈曲，弯扭屈曲。一般钢结构中采用的截面形式（如工字形、箱形、H型、T型）只发生弯曲屈曲，只有薄壁型钢截面可能发生弯曲屈曲或弯扭屈曲：角钢、槽钢等在杆件绕截面的对称轴弯曲的同时，必然会伴随扭转变形，产生弯扭屈曲，但对于用两个角钢组成的单轴对称T形截面，它的弯扭屈曲临界力接近弯曲屈曲临界力，也可按照弯曲屈曲临界力来计算。因此，弯曲屈曲是确定轴心压杆稳定承载力的主要依据。稳定问题概述1、理想轴心受压构件杆件本身是绝对直杆，材料均匀，各向同性；无荷载偏心，无初始应力，压力作用线与形心纵轴重合；2、整体失稳（屈曲）现象

轴心压杆在截面上的平均应力低于屈服点的情况下，由于变形（可能是弯曲，也可能是扭转或弯扭）过大，处于不稳定状态而丧失承载能力。这种现象称为整体失稳。轴心受压构件受力性能弯曲失稳双轴对称截面的轴压杆扭转失稳长细比不大，而板件较薄的十字形截面弯扭失稳截面无对称或单轴对称整体失稳形式（1）第一类稳定问题直线平衡直线平衡弯曲平衡N

＜Ncr○○。Ncr○○。Ncr。○○N

>Ncr。○○弯曲破坏失去直线平衡a.存在两种平衡状态直线平衡曲线平衡b.失稳前后变形状态不同特点：两类失稳问题（2）第二类稳定问题只存在曲线平衡状态，失稳前后变形状态一样E－－材料的弹性模量l0－－构件的计算长度取值见表4.3I－－构件截面绕屈曲方向中和轴的惯性矩EI－－构件的抗弯刚度－－构件长细比－－截面绕屈曲方向的回转半径欧拉临界力和临界应力1、实际轴心受压构件与理想构件的区别存在残余应力存在初弯曲存在初偏心2、失稳过程3、初始缺陷对构件屈曲临界力的影响实际轴心受压构件的受力性能实际轴心受压柱不可避免地存在几何缺陷和残余应力，同时柱的材料还可能不均匀。轴心受压柱的实际承载力取决于柱的长度和初弯曲，柱的截面形状和尺寸以及残余应力的分布与峰值。轴心受压柱的实际承载力PART03局部稳定性局部失稳受压构件中板件的宽厚比较大，，当压力达到某一数值（小于临界力）时，板件不能继续维持平面平衡状态而产生凸曲现象，这种现象称为板件的局部失稳现象。危害性虽无整体失稳危险，但由于截面某个板件失稳而退出工作后，将使截面有效承载部分减小，同时还使截面不对称，将促进构件整体发生破坏。因此，组成实腹式截面的板件局部稳定也必须保证，它也属于承载力的一部分。如何保证？限制板件的宽厚比。基本概念确定板件宽（高）厚比限值的准则：局部屈曲临界应力≥屈服应力：构件应力达到屈服前，其板件不发生局部屈曲（适用于中长构件）局部屈曲临界应力≥整体临界应力：构件整体屈曲前，其板件不发生局部屈曲（适用于短柱）基本概念2、腹板高厚比限值1、翼缘宽厚比限值工字形箱形截面T形截面式中——构件最大长细比。当

＜30时，取=30

当

＞100时，取=100。

fy——构件钢材的屈服点。

_不同钢材时的换算系数。

板件宽厚比限值实腹式轴压杆常用截面形式及其优缺点(1)强度验算强度验算公式为

式中：N

――轴心压力设计值；

An

――压杆的净截面面积；

f

――钢材的抗压强度设计值。

(2)刚度验算刚度验算公式为截面验算整体验算公式为：验算整体稳定时，应对截面的两个主轴方向进行验算。局部稳定验算应根据截面形式整体稳定性验算局部稳定性验算1、当实腹柱的腹板计算高度h0

与tw

厚度之比大于80时，应设置成对的横向加劲肋（右图）横向加劲肋的作用是防止腹板在施工和运输过程中发生变形，并可提高柱的抗扭刚度。横向加劲肋的间距不得大于3h0

，外伸宽度bs不小于h0/30+40mm

，厚度tw

应不小于bs/15。实腹柱中的横向加劲肋构造规定2、除工字形截面外，其余截面的实腹柱应在受有较大水平力处、在运输单元的端部以及其它需要处设置横隔。横隔的中距不得大于柱截面较大宽度的9倍，也不得大于8m。构造规定PART04柱头与柱脚1）概念：柱下端与基础相连的部分2）作用：把柱身的压力均匀地传给基础，并将柱固定于基础3）特点：因基础多为混凝土基础，其强度远比钢材低，故将柱身底端扩大以增加与基础的接触面积，使其接触面上的承压力小于或等于基础的抗压强度设计值。因此要求基础有一定的长度和宽度，也应有一定的刚度和强度，使柱身压力均匀的传到基础。因此注脚构造比较复杂、用钢量大，制造费工。4）设计原则：传力明确、可靠、简捷，构造简单，节约钢材，施工方便，并符合计算简图。概述梁支承于柱顶的铰接连接

梁与柱的连接梁支承于柱侧的铰接连接如图a所示的连接，只能用于梁的反力较小的情况当梁反力较大时，可采用图b的做法当两邻梁反力相差较大时，可采用图c的连接形式梁与柱的连接梁与柱的连接传力路径

分类：铰接和刚接两种组成：底板、靴梁、肋板轴心受压柱的柱脚通常按铰接计算；但实际工程中很少采用真正的球形轴形弧形等形式的铰。主要是由底板传力结构（靴梁肋板等）和锚栓组成的铰接柱脚。柱脚实际工程中很少采用真正自由转动的球形、轴形、弧形等形式的铰。而是由：底板、传力构件（靴梁和靴梁带隔板、加劲肋）、锚固螺栓等组成。（一）柱脚的形式：

柱脚按其与基础连接方式不同可分铰接和钢接两类：1、铰接：轴心受压柱一般用铰接(主讲）；主要有三种形式——仅设置底板；设置底板、靴梁、隔板、加劲肋；锚固螺栓：大型。2、刚接：偏心受压柱一般用刚接（将柱埋入基础混凝土中）。铰接柱脚的构造1、仅设置底板当轴向力较小时，采用如图（a）所示的形式，是最简单的柱脚形式。把柱身直接焊在底板上，底板厚为20~40mm，柱身的压力通过柱与底板的焊缝传底板，再由底板传给基础。底板用地脚螺栓与基础相连。对受力很小的柱铰接柱脚的构造2、设置底板、靴梁、隔板、加劲肋

当轴向力较大时，采用如图（b）、（c）所示柱端通过与靴梁的竖向焊缝将力传给靴梁，靴梁通过底部焊缝将压力传给底板，靴梁不仅增加了焊缝的长度，也将底板分成较小的区格，减小了底板在反力作用下的最大弯矩值。当采用靴梁后，底板的弯矩值仍较大时，可再采用隔板和肋板，将底板分成小的区格。如上海宝钢，80多米高柱，靴梁7~8m高。铰接柱脚的构造3、有靴梁和肋脚的柱脚或仅用肋脚作分布结构的柱脚：采用U型孔，一般螺栓的直径为20~25mm，为安装方便，底板上的锚栓孔径为锚栓直径的1.5~2.0倍，并采用U型孔，便于安装和调整位置。铰接柱脚的构造①柱翼缘与底板间采用全焊透坡口对接焊缝链接，柱腹板及加劲肋与底板间采用双面角焊缝连接。②铰接柱脚的锚栓直径应根据钢柱板件厚度和底板厚度相协调的原则确定，一般取24～42mm，且不宜小于24mm。锚栓的数目常用2个或4个，同时应与钢柱截面尺寸以及安装要求相协调。钢架跨度≤18m时，采用2M24；刚架跨度≤27m时，采用4M30。③柱脚底板上的锚栓孔径宜取锚栓直径加20mm，锚栓螺母下的垫板孔径取锚栓直径加2mm，垫板厚度一般为0.4d～0.5d（d为锚栓外径），但不宜小于20mm，垫板边长取3（d+2）。外露式铰接柱脚①外露式刚接柱脚，一般均应设置加劲肋，以加强柱脚刚度；②柱翼缘与底板间采用全焊透坡口对接焊缝连接，柱腹板及加劲肋与底板间采用双面角焊缝连接。角焊缝焊脚尺寸均按照第三章相应方法确定。③刚接柱脚锚栓承受拉力和作为安装固定之用，一般采用Q235钢制作。锚栓直径不宜小于24mm。底板的锚栓孔径不小于锚栓直径加20mm；锚栓垫板的锚栓孔取锚栓直径加2mm。锚栓螺母下垫板的厚度一般为（0.4～0.5）d，但不宜小于20mm，垫板边长取3（d+2）。锚栓应采用双螺母紧固，为使锚栓能准确锚固于设计位置，应采用具有足够刚度的固定架。外露式刚接柱脚④对于槽型靴梁的板式柱脚有以下规定：A.锚栓支承托由横板、加劲肋组成，提高了柱脚的嵌固作用。B.锚栓支撑托座横板的厚度，取与靴梁板相同厚度；锚栓支承托座加劲肋的上端与支承托座横板的连接宜剖平顶紧(如图4.24（b)）。C.靴梁的高度不宜小于250mm，其板件的厚度宜与柱翼缘大致相同，且不宜小于10mm。长度要与底板协调，靴梁腹板应符合梁腹板的要求。靴梁之间隔板与加劲肋不宜小于8mm，同时隔板厚度不应小于隔板跨长的1/50，隔板的高度一般为靴梁高度的2/3，并不宜大于650mm。D.锚栓支承托座的锚栓孔径不小于锚栓加直径20mm；锚栓支承托座横板上应开缺口以便锚栓穿过。外露式刚接柱脚将钢柱直接埋入混凝土构件（如地下室墙、基础梁等）中的柱脚称为埋入式柱脚（图4.25a）；而将钢柱置于混凝土构件上又伸出钢筋，在钢柱四周外包一段钢筋混凝土者为外包式柱脚，亦称为非埋入式柱脚。这两种柱脚常用于多、高层钢结构建筑物。埋入式柱脚①柱埋入部分四周设置的主筋、箍筋应根据柱脚底部弯矩和剪力按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010计算确定，符合相关构造要求。柱翼缘或管柱外边缘混凝土保护层厚度（图4.25b),边列柱的翼缘或管柱外边缘至基础梁端部的距离不应小于400mm，中间柱翼缘或管柱外边缘至基础梁边相交线的距离不应小于250mm；基础梁梁边相交线的夹角应做成钝角，其坡度不应小于1:4的斜角；在基础护筏板的边部，应配置水平U形箍筋抵抗柱的水平冲切。②柱脚端部及底板、锚栓、水平加劲肋隔板的构造要求符合规范有关规定。③圆管柱和矩形管柱应在管内浇灌混凝土。④对于有拔力的柱、宜在柱埋入混凝土部分设置栓钉。研究表明，栓钉对于传递弯矩和剪力没有支配作用，但对于抗拉，由于栓钉受剪，能传递内力。因此对于有拔力的柱，规定了宜设栓钉的要求。⑤柱脚边缘混凝土的承压应力主要依据钢柱侧面混凝土受压区的支承反力形成的抗力与钢柱的弯距和剪力平衡，便可得出钢柱与基础的刚性连接的埋入深度以及柱脚边缘混凝土的承压应力小于或等于混凝土抗压强度设计值的计算式。埋入式柱脚

插入式柱脚是指钢柱直接插入已浇筑好的杯口内，经校准后用细石混凝土浇灌至基础顶面，使钢柱与基础刚性连接。柱脚的作用是将钢柱下端的内力（轴力、弯矩、剪力）

通过二次浇灌的细石混凝土传给基础，其作用力的传递机理与埋入式柱脚基本相同。钢柱下部的弯矩和剪力，主要是通过二次浇灌层细石混凝土对钢柱翼缘的侧向压力所产生的弯矩来平衡，轴向力由二次浇灌层的粘结力和柱底反力承受。插入式柱脚（1）传力性能及破坏模式混凝土外包式柱脚的钢柱弯矩，大致上外包柱脚顶部钢筋位置处最大，底板处约为零。在此弯矩分布假定下所对应的承载机构如图21所示。也即在外包混凝土刚度较大且充分配置顶部钢筋的条件下，主要假定外包柱脚顶部开始从钢柱向混凝土传递内力。

外包式柱脚的弯矩图及计算简图

外包式柱脚（1）传力性能及破坏模式外包式柱脚典型的破坏模式有：钢柱的压力导致顶部混凝土压坏；外包混凝土剪力引起的斜裂缝；主筋在外包混凝土锚固区破坏；主筋弯曲屈服。其中，前三种破坏模式会导致承载力急剧下降，变形能力较差。因此外包混凝土顶部应配置足够的抗剪补强钢筋，通常集中配置3