《钢结构基础》课件 第4章 钢结构的基本构件设计

4.1受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.1.1梁的设计要点钢梁的形式：按功能分：楼盖梁、平台梁、吊车梁、墙梁等；按截面形式分：型钢梁、组合梁；按支承分：简支梁、连续梁、悬臂梁等；按荷载作用情况分：单向弯曲梁、双向弯曲梁（如檩条）。楼盖梁4.1

受弯构件——钢梁屋盖梁屋盖梁4.1受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁平台梁平台梁4.1

受弯构件——钢梁吊车梁4.1

受弯构件——钢梁墙梁吊车梁檩条4.1

受弯构件——钢梁钢梁的截面形式（图3-1）钢梁的计算内容正常使用极限状态

刚度承载能力极限状态强度抗弯强度抗剪强度局部压应力折算应力整体稳定局部稳定4.1

受弯构件——钢梁1.钢梁的强度和刚度（1）梁的强度①拉弯强度三个受力阶段：弹性、弹塑性、塑性4.1

受弯构件——钢梁塑性弯矩

双向弯曲单向弯曲②抗剪强度4.1

受弯构件——钢梁③腹板局部压应力④折算应力4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁（2）梁的刚度2.梁的整体稳定

梁从平面弯曲状态转变为弯扭状态的现象称为梁的整体失稳。4.1

受弯构件——钢梁（1）梁整体稳定性的计算①在最大刚度主平面内受弯的构件，其整体稳定性按下式计算②在两个主平面受弯的H型截面或工字形截面梁的整体稳定的计算公式为：4.1

受弯构件——钢梁（2）梁的整体稳定系数①等截面焊接工字形和轧制H型钢：

——截面不对称影响系数

4.1

受弯构件——钢梁

若时，表明钢梁进入弹塑性工作阶段，《规范》规定应采用下式计算的代替值②轧制普通工字钢简支梁(表4.2)③轧制槽钢简支梁4.1

受弯构件——钢梁影响梁整体稳定的主要因素1．侧向抗弯刚度、抗扭刚度；2．受压翼缘的自由长度(受压翼缘侧向支承点间距);3．荷载作用种类；4．荷载作用位置；5．梁的支座情况。提高梁整体稳定性的主要措施1.增加受压翼缘的宽度；2.在受压翼缘设置侧向支撑。4.1

受弯构件——钢梁(3)可不作整体稳定性验算的条件①有铺板（各种钢筋混凝土板或钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连，能阻止梁的受压翼缘的侧向位移时；②工字形截面简支梁受压翼缘自由长度l1与其宽度b1之比不超过规范规定的数值时，例如下图所示，梁受压翼缘的跨中侧向连有支撑，可以作为其侧向不动支承点，l1则为梁的半跨长度表4.34.1

受弯构件——钢梁3.梁的局部稳定4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁避免梁的局部失稳有两个途径：

a）限制板件的宽厚比或高厚比；

b）设置加劲肋。4.1

受弯构件——钢梁a限制板件的宽厚比或高厚比(1)组合梁翼缘的局部稳定

《规范》采用限制梁受压翼缘宽厚比的措施来保证翼缘的局部稳定性。①工字形截面梁受压翼缘自由外伸宽度b1与其厚度t之比，应满足下式要求：4.1

受弯构件——钢梁

②箱形截面

梁受压翼缘板在两腹板之间的无支承宽度b0与其厚度t之比，应满足下式要求4.1

受弯构件——钢梁(2)组合梁腹板的局部稳定规范限定了值来保证腹板的局部稳定①在局部压应力作用下②在剪应力作用下③在弯曲应力作用下4.1

受弯构件——钢梁b.设置加劲肋①腹板加劲肋的设置梁的腹板以承受剪力为主，组合梁的腹板主要是靠设置加劲肋来保证其局部稳定。加劲肋可以用钢板或型钢制成，焊接梁一般常用钢板。4.1

受弯构件——钢梁

在同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板中，应在其相交处将纵向加劲肋断开，横向加劲肋保持连续。纵向加劲肋断开横向加劲肋保持连续4.1

受弯构件——钢梁

为了减少焊接应力，避免焊缝过分集中，横向加劲肋的端部应切去约bs/3（≤40mm），高约bs/2（≤60mm）的斜角4.1

受弯构件——钢梁加劲肋设置4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁②加劲肋的构造要求

加劲肋的配置:

加劲肋宜在腹板两侧成对配置，也可单侧配置

间距:最小间距应为0.5h0，最大间距应为2h0截面尺寸外伸宽度厚度4.1

受弯构件——钢梁横向加劲肋截面惯性矩:纵向加劲肋的截面惯性矩短加劲肋

4.1

受弯构件——钢梁③支承加劲肋设计4.1

受弯构件——钢梁4.1.2型钢梁设计型钢梁设计应满足强度、刚度及整体稳定的要求。局部稳定可不必验算。1.单向受弯型钢梁工字钢和H型钢计算步骤：（1）确定设计条件（2）计算梁的内力：Mmax和Vmax

（3）初选截面

4.1

受弯构件——钢梁（4）截面强度验算抗弯强度：抗剪强度：局压强度：折算应力：

热轧型钢的腹板较厚，若截面无削弱和无较大固定集中荷载时，可不验算抗剪强度、局部承压强度和折算应力。

4.1

受弯构件——钢梁（5）刚度验算

ν≤[ν]或（6）整体稳定性验算4.1

受弯构件——钢梁2.双向受弯型钢梁钢结构中的檩条、墙梁大多属于双向受弯构件。（1）截面确定：先单独按Mx或My计算Wnx或Wny，然后适当加大Wnx或Wny选定型钢截面。（2）强度验算：（3）稳定验算：

（4）刚度验算4.1

受弯构件——钢梁4.1.3组合梁设计

钢板组合梁的设计内容有：确定梁的截面形式及各部分尺寸；根据初选的截面进行强度、刚度、整体稳定和局部稳定验算及加劲肋设置；确定翼缘与腹板的焊缝；钢梁支座加劲肋设计等内容。1、截面设计确定h、tw、b、t4.1

受弯构件——钢梁（1）截面高度h:满足以下要求①建筑高度：h≤hmax

②刚度要求

∴4.1

受弯构件——钢梁③经济要求（2）腹板厚度tw

腹板以承担剪力为主，应满足抗剪经验公式

或

∴

一般tw≥8mm。

4.1

受弯构件——钢梁（3）翼缘宽度b及厚度t

翼缘面积

b值一般要求b≥180mm

考虑局部稳定要求翼缘厚度t一般不应小于8mm，同时应符合钢板规格。（4）截面验算验算抗弯强度、抗剪强度、局部压应力、折算应力、整体稳定、刚度及翼缘局部稳定。

4.1

受弯构件——钢梁（2）翼缘焊缝的计算4.1

受弯构件——钢梁翼缘与腹板交接处

翼缘焊缝的强度条件

翼缘上有固定集中荷载或移动集中荷载F作用

垂直剪力2、翼缘焊缝的计算4.1

受弯构件——钢梁在T1和V1的共同作用下，翼缘焊缝强度

4.1

受弯构件——钢梁4.1.4梁的拼接与连接

1.梁的拼接（1）工厂拼接（2）工地拼接4.1

受弯构件——钢梁工地拼接≥10tw~500~500123445512453454.1

受弯构件——钢梁2.次梁与主梁的连接（1）简支次梁与主梁连接特点是次梁只传递支座反力给主梁，连接形式有叠接和平接两种4.1

受弯构件——钢梁（2）连续次梁与主梁连续次梁与主梁的连接也分为叠接和平接两种形式

1－主梁；2－承托竖板；3－支托顶板；4－次梁；5－连接盖板4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.1

受弯构件——钢梁4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件概念：轴心受力构件：承受通过构件截面形心的轴向力作用的构件(包括轴心拉杆和轴心压杆）。应用：主要承重钢结构工业建筑的平台和其他结构的支柱各种支撑

桁架

网架

塔架4.2轴心受力构件截面形式：实腹式和格构式两大类。实腹式截面:

型钢截面和组合截面4.2轴心受力构件格构式截面4.2轴心受力构件对轴心受力构件截面形式的共同要求：（1）能提供强度所需要的面积；（2）制作比较简便；（3）便于和相邻的构件连接：（4）截面开展，而壁厚较薄。4.2.1轴心受力构件的设计要点

设计内容分为强度、刚度、整体稳定和局部稳定验算4.2轴心受力构件1.强度和刚度（1）强度验算表4-7，4-8，受压构件、受拉构件的容许长细比。表4-9轴心受压构件的计算长度系数

（2）刚度验算4.2轴心受力构件2.轴心受压构件的整体稳定整体稳定破坏是轴心受压构件的主要破坏形式扭转失稳弯曲失稳弯扭失稳4.2轴心受力构件——轴心受压构件的整体稳定系数

与构件截面类型、钢材种类、长细比λ有关λ取值：（1）实腹式轴心受压构件双轴对称或极对称截面的实腹式柱4.2轴心受力构件（2）格构式轴心受压柱

两根主轴，一根主轴横穿缀条或缀板平面（如图中的x－x轴），称为虚轴，另一根主轴横穿两个肢（如图中的y－y轴），称为实轴。（a）缀条式（b）缀条式（c）缀板式4.2轴心受力构件绕实轴失稳(y-y)绕虚轴失稳(x-x)缀条式构件缀板式构件4.2轴心受力构件3.轴心受压构件的局部稳定概念：实腹式工字形组合截面构件，由于腹板和翼缘较薄，在轴心压力的作用下，腹板或翼缘可能产生局部凹凸鼓屈变形。格构式轴心受压柱的单肢在缀条或缀板的相邻节点间是一个单独的轴心受压实腹式构件4.2轴心受力构件（1）实腹式轴心受压柱的局部稳定限制板的宽厚比工字形：b1th0tw4.2轴心受力构件箱形：T形截面：翼缘采用工字型，腹板采用以下两式：热轧剖分T型钢焊接T型钢4.2轴心受力构件（2）格构式轴心受压构件的单肢稳定性缀条式格构柱：（中的较大者）且缀板式格构柱：当时，取4.2.2实腹式轴心受压构件的设计设计步骤：选择截面形式，然后根据整体稳定和局部稳定等要求选择截面尺寸，最后进行截面的强度、稳定验算。4.2轴心受力构件1、截面设计的步骤（1）选择截面形式原则：肢宽壁薄原则、等稳定性原则、经济性原则（2）选择截面尺寸①假定长细比λ，一般在60～100范围内选取，当轴力大，计算长度小时，λ取小值，反之取大值。根据λ、钢号和截面类别查表求φ，计算初选截面几何特征值4.2轴心受力构件②确定初选截面尺寸a型钢截面b组合截面

（3）截面验算：①强度②刚度③整体稳定④局部稳定

：型钢截面可不验算

4.2轴心受力构件2、构造要求对于实腹式柱，当腹板的高厚比h0/tw>80时，为提高柱的抗扭刚度，防止腹板在运输和施工中发生过大的变形，应设横向加劲肋，

要求如下：

横向加劲肋间距≤3h0；横向加劲肋的外伸宽度

bs≥h0/30+40mm；横向加劲肋的厚度ts≥bs/15。横隔：bs横向加劲肋≤3h0h0ts4.2轴心受力构件4.2.3格构式轴心受压构件的设计

设计内容：强度、刚度、整体稳定性的验算，另外，还需要进行单肢的局部稳定性验算，并且需要进行缀材（缀条、缀板）的设计。1.缀计材设（1）缀材的剪力对双肢格构式构件，每侧缀材分担的剪力4.2轴心受力构件（2）缀条设计（3）缀板设计剪力：弯矩：4.2轴心受力构件（4）横隔2、计算步骤（1）选择构件形式和钢材标号根据轴心力大小、构件长度和材料供应等确定构件形式和钢号，一般中小型构件常采用缀板式，大型构件宜采用缀条式。肢件常采用槽钢、工字钢、角钢、圆管等型钢做成双肢、三肢、四肢格构柱。4.2轴心受力构件（2）确定肢件截面（3）确定肢件间的间距

肢件间的间距由虚轴（x轴）方向的整体稳定计算确定。根据实轴计算出的，再由等稳定条件，由式（3-36）、（3-37）可得虚轴的长细比：缀条式构件

缀板式构件

4.2轴心受力构件（4）截面验算

强度验算：

刚度验算：整体稳定性验算：单肢稳定性验算（5）缀材连接节点设计或

4.2轴心受力构件4.2.4轴心受压柱的柱头与柱脚1.柱头柱头：柱的上端与梁相连的部分称为柱头。柱头作用：承受并传递梁及上部结构传来的荷载。梁柱的连接形式：梁支承于柱顶梁支承于柱侧节点形式：铰接和刚接，轴心受压柱多采用铰接。（1）梁支承于柱顶的构造4.2轴心受力构件（2）梁支承于柱侧的构造4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件2、柱脚设计

柱下端与基础的连接部分称为柱脚。其作用是承受柱身的荷载并将其传给基础。XYN靴梁隔板底板隔板锚栓柱4.2轴心受力构件

锚栓用以固定柱脚位置，沿轴线布置2个，直径20-24mm。底板锚栓孔直径为锚栓直径的1.5~2.0倍

肋板b14.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件4.2轴心受力构件柱脚的计算内容

（1）底板面积（2）底板均匀反力（3）柱脚底板所承受的弯矩值

——弯矩系数（按表4.10取）（4）底板厚度

4.2轴心受力构件（5）靴梁的计算靴梁板所承受的最大弯矩为外伸梁支承处的弯矩支承处的剪力根据M、V，验算靴梁的抗弯和抗剪强度

4.2轴心受力构件

靴梁的厚度应与被连接的翼缘厚度大致相同，靴梁的高度由连接柱所需要的焊缝长度决定，但每条焊缝的长度不应超过角焊缝焊脚尺寸的60倍，同时也不应大于被连接的较薄板件厚度的1.2倍。（6）隔板隔板为底板的支承边，承受底板反力q作用，受荷范围见图（4.34）中阴影部分，可按简支梁考虑。4.2轴心受力构件4.3拉弯和压弯构件4.3拉弯和压弯构件

概念：

同时承受轴心拉力和弯矩的构件称为拉弯构件。同时承受轴心压力和弯矩的构件称为压弯构件。工程中也常把这两类构件称为偏心受拉和偏心受压构件

（a）（b）（a）（b）拉弯构件压弯构件4.3拉弯和压弯构件4.3.1拉弯和压弯构件的设计要点拉弯和压弯构件的设计要点有强度、刚度、整体稳定和局部稳定的验算四个内容

1.强度2.刚度

λmax≤

[λ]

4.3拉弯和压弯构件3.实腹式压弯构件的整体稳定（1）弯矩作用平面内的稳定等效弯矩系数，按下列规定采用①无侧移框架柱和两端支承的构件1）无横向荷载作用时

4.3拉弯和压弯构件2）无端弯矩和但有横向荷载作用时：跨中单个集中荷载：全跨均布荷载：3）端弯矩和横向荷载同时作用时4.3拉弯和压弯构件②有侧移框架柱和悬臂构件1)除上条第2)项规定之外的框架柱2)有横向荷载的柱脚铰接的单层框架柱和多层框架的底层柱,βmx=1.0。3)自由端作用有弯矩的悬臂柱4.3拉弯和压弯构件（2）弯矩作用平面外的稳定性

—等效弯矩系数：P129-130

—均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数对闭口截面取当时，可按下列近似公式计算

①工字形截面（含H型钢）双轴对称时

4.3拉弯和压弯构件单轴对称时

和分别为受压翼缘和受拉翼缘对y轴的惯性矩②T形截面（弯矩作用在对称轴平面，绕x轴）

a、弯矩使翼缘受压时

双角钢T形截面部分T型钢和两板组合T形截面

4.3拉弯和压弯构件b、弯矩使翼缘受拉且腹板宽厚比不大于时4、实腹式压弯构件的局部稳定（1）翼缘的局部稳定当强度和稳定性计算中取时，可放宽

4.3拉弯和压弯构件（2）腹板的局部稳定腹板弹塑性屈曲临界应力《规范》腹板计算高度h0与厚度tw之比的限值

4.3拉弯和压弯构件5.压弯构件的计算长度压弯构件的计算长度与构件端部的约束条件有关.4.3.2实腹式压弯构件的截面设计

设计原则：等稳定性、肢宽壁薄、制造省工和连接简便等。

截面设计的步骤是：截面选择、强度验算、弯矩作用平面内和平面外的整体稳定验算、局部稳定验算、刚度验算等。1.确定截面形式和尺寸

根据设计经验，先假定出截面尺寸，然后经多次试算调整4.3拉弯和压弯构件2.截面验算（1）强度验算（2）刚度验算（3）整体稳定验算

弯矩作用平面内

4.3拉弯和压弯构件单轴对称时

弯矩作用平面外（4）局部稳定性验算：按构造控制翼缘宽厚比或腹板高厚比限值即可满足。4.3拉弯和压弯构件4.3.3压弯构件的柱头和柱脚的连接构造1.柱头铰接和刚接主要作用：是使柱子能与上部构件可靠地连接并将其内力传给柱身。柱头由顶板和肋板组成。柱顶压力N通过柱顶板承压和焊缝①传给肋板，再由肋板通过焊缝②传给柱身。4.3拉弯和压弯构件

框架梁柱的连接可分为柔性连接和刚性连接，柔性连接一般采用高强度螺栓连接，属铰接，而刚性连接是用焊缝连接。

4.3拉弯和压弯构件2.柱脚铰接和刚性

刚接柱脚分整体式和分离式两种整体式柱脚

设计（1）底板尺寸4.3拉弯和压弯构件（2）锚栓计算4.3拉弯和压弯构件单个螺栓需要的净截面面积

4.3