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1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理第五章軸向受力構(gòu)件5.4鋼結(jié)構(gòu)軸向受力構(gòu)件5.4.1軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度1.實(shí)際工程中鋼結(jié)構(gòu)軸心受力構(gòu)件桁架、塔架和網(wǎng)架、網(wǎng)殼等桿件體系工業(yè)建筑的工作平臺(tái)支柱軸向受力構(gòu)件的截面形式實(shí)腹式構(gòu)件的截面形式(強(qiáng)軸和弱軸)格構(gòu)式構(gòu)件的截面形式2.軸向受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求承載能力極限狀態(tài):強(qiáng)度和穩(wěn)定軸心受拉:強(qiáng)度軸心受壓:強(qiáng)度和穩(wěn)定正常使用極限狀態(tài):變形(剛度,長細(xì)比)3.軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算(以截面平均應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服應(yīng)力為極限)除摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接處外的強(qiáng)度計(jì)算式摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接處孔前傳遞的力凈截面處的
2、傳力為凈截面處的強(qiáng)度公式為同時(shí)毛截面處還應(yīng)滿足4.剛度要求長細(xì)比過大產(chǎn)生的不利影響:在運(yùn)輸和安裝過程中產(chǎn)生彎曲或過大的變形使用期間因其自重而屈曲在動(dòng)力荷載作用下發(fā)生較大的振動(dòng)壓桿的長細(xì)比過大時(shí),還將使構(gòu)件的承載力降低過多。長細(xì)比限值在承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)中,可僅計(jì)算受拉構(gòu)件在豎向平面內(nèi)的長細(xì)比;在直接或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中,計(jì)算單角鋼受拉構(gòu)件的長細(xì)比時(shí),應(yīng)采用單角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑;計(jì)算單角鋼交叉桿件平面外的長細(xì)比時(shí),應(yīng)采用角鋼肢邊平行軸的回轉(zhuǎn)半徑。3)受拉構(gòu)件的容許長細(xì)比4)受壓構(gòu)件的容許長細(xì)比5.4.2實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定理想軸心壓桿
3、的整體失穩(wěn)(桿件完全挺直、荷載沿桿件形心軸作用,桿件在受荷之前沒有初始應(yīng)力,也沒有初彎曲和初偏心等缺陷,截面沿桿件是均勻的)彎曲屈曲扭轉(zhuǎn)屈曲彎扭屈曲雙軸對(duì)稱截面發(fā)生彎曲屈曲或扭轉(zhuǎn)屈曲;單軸對(duì)稱截面發(fā)生彎曲屈曲(繞非對(duì)稱軸)或彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲(繞對(duì)稱軸);沒有對(duì)稱軸的截面均屬彎扭屈曲。2.理想壓桿的臨界力(彈性彎曲屈曲)彈性屈曲的臨界力3.彈塑性屈曲根據(jù)切線模量理論4.影響穩(wěn)定承載力的因素殘余應(yīng)力的影響產(chǎn)生的原因:焊接時(shí)不均勻加熱和不均勻冷卻;型鋼熱軋后不均勻冷卻;板邊經(jīng)火焰切割后的熱塑性收縮;構(gòu)件經(jīng)冷校正產(chǎn)生的塑性變形。殘余應(yīng)力在截面上的分布為自平衡
4、應(yīng)力存在殘余應(yīng)力構(gòu)件的的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系提前進(jìn)入彈塑性階段殘余應(yīng)力的存在將降低構(gòu)件的臨界承載力初彎曲的影響有初彎矩的構(gòu)件,其承載力總是低于歐拉臨界力進(jìn)入彈塑性狀態(tài)到達(dá)C點(diǎn),穩(wěn)定承載力不能再增加3)初偏心的影響初偏心初偏心的影響類似初彎矩的影響,但更嚴(yán)重4)最大強(qiáng)度準(zhǔn)則壓屈準(zhǔn)則理想軸心壓桿,當(dāng)N增大到某一值時(shí),壓桿失去直線狀態(tài)平衡稱為壓屈。主要指標(biāo)為Ncr,可考慮彈性或彈塑性狀態(tài),但不能考慮初始缺陷。纖維屈服準(zhǔn)則最不利截面上邊緣纖維的最大應(yīng)力達(dá)到屈服,計(jì)算指標(biāo)為纖維屈服壓桿荷載。壓潰準(zhǔn)則實(shí)際壓桿,當(dāng)N增大到某一值時(shí),彎曲變形增長使得壓桿失去承載力,計(jì)
5、算指標(biāo)為壓潰荷載??紤]殘余應(yīng)力、初彎曲、初偏心情況壓桿的極限承載力計(jì)算復(fù)雜,須利用數(shù)值積分用計(jì)算機(jī)求解。5.整體穩(wěn)定計(jì)算公式柱子曲線與穩(wěn)定系數(shù)考慮初彎曲和殘余應(yīng)力的不利條件,初彎曲的矢高定為1/1000桿長,殘余應(yīng)力按桿件加工條件確定,利用數(shù)值積分求極限承載力根據(jù)截面形式分為a、b、c三類a類截面殘余應(yīng)力與初彎曲影響較??;c類則較大;b類介于其中。當(dāng)板件厚度超過40mm時(shí),殘余應(yīng)力較大,單獨(dú)增加d類根據(jù)柱子曲線擬合的穩(wěn)定系數(shù)φ計(jì)算公式整體穩(wěn)定計(jì)算公式6.穩(wěn)定計(jì)算時(shí)采用的長細(xì)比截面為雙軸對(duì)稱或極對(duì)稱的構(gòu)件上述公式僅考慮了構(gòu)件的彎曲屈曲,如發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈
6、曲或彎扭屈曲,則將影響計(jì)入換算長細(xì)比中。2)截面為單軸對(duì)稱的構(gòu)件繞對(duì)稱軸失穩(wěn)時(shí)3)截面為單角鋼或雙角鋼組合T形的構(gòu)件繞對(duì)稱軸失穩(wěn)4)單軸對(duì)稱的軸心壓桿在繞非對(duì)稱主軸以外的任意軸失穩(wěn)時(shí)4)規(guī)范的其他規(guī)定無任何對(duì)稱軸且又非極對(duì)稱的截面(單面連接的不等邊角鋼除外)不宜用作軸心受壓構(gòu)件。對(duì)單面連接的單角鋼軸心受壓構(gòu)件,考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的折減系數(shù)后,可不考慮彎扭效應(yīng)。當(dāng)槽形截面用于格構(gòu)式構(gòu)件的分肢,計(jì)算分肢繞其對(duì)稱軸的穩(wěn)定性時(shí),可不考慮彎扭效應(yīng),直接用查處值。例題5-265.4.3實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定軸心受壓構(gòu)件板件局部失穩(wěn)局部失穩(wěn)實(shí)際上是由于薄板在
7、軸心壓力下的局部屈曲,可根據(jù)板理論計(jì)算臨界應(yīng)力2.板件的寬厚比限值受壓構(gòu)件板件的局部穩(wěn)定以板件屈服不先于構(gòu)件的整體屈服為條件,并以限制構(gòu)件的寬厚比來實(shí)現(xiàn)。截面及板件尺寸寬厚比限值3.局部穩(wěn)定不滿足要求時(shí)采取的措施調(diào)整板件的厚度或?qū)挾葘?duì)于箱形和工形截面腹板設(shè)置縱向加勁肋,以減小腹板的計(jì)算高度??v向加勁肋通常在橫向加勁肋之間設(shè)置。加勁肋的設(shè)置要求:3)不考慮腹板的局部穩(wěn)定在計(jì)算構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí),如未滿足腹板的寬厚比,可認(rèn)為腹板中間部分已傷失穩(wěn)定局部退出工作,而僅考慮腹板計(jì)算高度邊緣范圍內(nèi)兩側(cè)寬度各為的部分作為有效截面。但計(jì)算構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)時(shí),仍
8、用全截面。5.4.4實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)軸心受壓構(gòu)件一般采用雙軸對(duì)稱截面,如圖所示:軋制寬翼緣H型選擇截面的幾個(gè)原則面積分布應(yīng)盡量開