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1、第一章 概述1.1 1.1 钢结构的特点和应用钢结构的特点和应用材料的强度高，塑性和韧性好材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢结构制造简便，施工周期短钢结构的质量轻钢材耐腐蚀性差钢材耐热但不耐火钢结构的特点钢结构的特点钢拉杆和压杆性能比较钢拉杆和压杆性能比较第1页/共184页第一章 概述大跨度钢结构重型厂房钢结构受动力荷载影响的结构可拆卸的结构高耸结构和高层建筑容器和其他构筑物轻型钢结构钢结构的应用范围钢结构的应用范围高层钢结构建筑高层钢结构建筑杂交结构杂交结构第2页/共184页第一章 概述1.2 1.2 钢结构的建造过程和内在缺陷钢结构的建造过程和内在缺陷工厂制造工厂制造：验收、放样、加工、
2、装配、矫正、除锈和涂漆工地安装工地安装：扩大拼装、吊装就位、临时固定、最后固定钢结构的建造过程钢结构的建造过程钢结构的初始缺陷钢结构的初始缺陷几何缺陷几何缺陷：初弯曲 初倾斜 杆件长度误差材料缺陷材料缺陷：钢材并非理想的匀质体和各向同性体第3页/共184页第一章 概述1.3 1.3 钢结构的组成原理钢结构的组成原理平面体系加支撑如：穿式桁架桥、空间屋盖结构跨越结构跨越结构穿式桁架桥穿式桁架桥空间屋盖结构空间屋盖结构第4页/共184页第一章 概述水平荷载可能居于主导地位。如：高层房屋结构、塔架、桅杆高耸结构高耸结构高层房屋结构高层房屋结构塔架结构塔架结构桅杆结构桅杆结构第5页/共184页第一章
3、概述1.5 1.5 钢结构的发展钢结构的发展发展低合金高强度钢材和型钢品种结构和构件设计计算方法的深入研究结构形式的革新结构优化设计第6页/共184页第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载载建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用第2章 钢结构的材料主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：重点：重点：重点：重点：钢材的主要性能指标及其影响因素钢材的主要性能指标及其影响因素建筑钢材的
4、类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用第7页/共184页2.1 2.1 对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求较高的强度。即抗拉强度较高的强度。即抗拉强度f fu u和屈服点和屈服点f fy y比比较高。较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。以及重复荷载作用等的性能。容易生产，价格便宜。容易生产，价格便宜。第2章 钢结构的材料第8页/共184页第2章 钢结构的材
5、料钢结构设计规范钢结构设计规范(GB50017GB5001720032003)推荐的普通碳素结构钢推荐的普通碳素结构钢Q235Q235钢钢和低合金和低合金高强度结构钢高强度结构钢Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420是是符合上述要求的。符合上述要求的。选用选用GB50017GB50017规范还未推荐的钢材时，规范还未推荐的钢材时，需有需有可靠依据可靠依据。以确保钢结构的质量。以确保钢结构的质量。第9页/共184页2.2 2.2 钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线第2章 钢结构的材料单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 条件：常温
6、、静载条件下一次拉伸第10页/共184页1.比例极限P 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比 P略高处还有弹性极限，但弹性极限与 P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限。2.屈服点y 应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。3.抗拉强度u 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。第2章 钢结构的材料第11页/共184页4.伸长率5和10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用5和10表示，伸长率代表材料
7、断裂前具有的塑性变形的能力。屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。第2章 钢结构的材料第12页/共184页屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是其意义是：1作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应力达到y时的应变与P时的应变较接近，可以认为应力达到y时为弹性变形的终点。同时，达到y 后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以y作为弹性计算时强度的标准。第2章 钢结构的材料第13页/共184页第2章 钢结构的材料2形
8、成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提供基础。y之前，钢材近于理想弹性体，y之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。第14页/共184页图2.2 钢材的冷弯试验第2章 钢结构的材料冷弯性能冷弯性能 根据试样厚度，按规定的根据试样厚度，按规定的弯心直径弯心直径将试样弯曲将试样弯曲180180度，其度，其表面及侧无裂纹或分层则为表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格冷弯试验合格”。“冷弯试验冷弯试验合格合格”一方面表示材
9、料塑性变一方面表示材料塑性变形能力符合要求，另一方面表形能力符合要求，另一方面表示钢材的冶金质量符合要求，示钢材的冶金质量符合要求，因此，冷弯性能是判别钢材质因此，冷弯性能是判别钢材质量的量的综合指标综合指标。重要结构中需。重要结构中需要有良好的要有良好的冷热加工冷热加工的工艺性的工艺性能时，应有此项保证。能时，应有此项保证。第15页/共184页第2章 钢结构的材料冲击韧性冲击韧性 与抵抗与抵抗冲击冲击作用有关的钢材的性能是韧性。作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度钢材断裂时吸收机械能能力的量度。钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用在一次拉伸静
10、载作用下断裂时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力-应变应变曲线下的面积。实际工作中，用曲线下的面积。实际工作中，用冲击韧性冲击韧性衡量钢衡量钢材抗脆断的性能，因为结构中脆性断裂总是发生材抗脆断的性能，因为结构中脆性断裂总是发生在有在有缺口高峰应力缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。方常呈三向受拉的应力状态。第16页/共184页图2.4 钢材的冲击试验第2章 钢结构的材料缺口韧性值受缺口韧性值受温度温度影响，温度低于某值时将急剧降影响，温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重
11、要结构，尤其是受低。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用的结构时，要根据相应的动载作用的结构时，要根据相应的环境温度环境温度对应提对应提出冲击韧性的保证要求。出冲击韧性的保证要求。第17页/共184页第2章 钢结构的材料可焊性可焊性 可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格合格(无裂纹无裂纹)焊缝的性能。焊缝的性能。钢材的可焊性受钢材的可焊性受碳含量和合金元素碳含量和合金元素含量的影含量的影响。碳含量在响。碳含量在0.120.120.200.20范围内的碳素钢，范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影
12、响区变脆。区变脆。第18页/共184页第2章 钢结构的材料钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定 根据根据钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205-2001)(GB50205-2001)的规定，对进入钢结构工程的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收，即检实施现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的查钢材的质量合格质量合格证明文件证明文件、中文标识及检、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求符合现行国家标准和设计要求。第19页/共184页2.3 2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性
13、能的因素 钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中还加入合金元素，后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。第2章 钢结构的材料化学成分的影响化学成分的影响第20页/共184页碳（碳（C C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量增加，钢材强度提高，塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接
14、结构应低于0.2%。锰（锰（MnMn）适量的锰含量可以有效提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。第2章 钢结构的材料第21页/共184页硅（硅（Si Si）适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒钒(V)(V)、铌、铌(Nb)(Nb)、钛、钛(Ti)(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。
15、第2章 钢结构的材料第22页/共184页铝铝(Al)(Al)、铬、铬(Cr)(Cr)、镍、镍(Ni)(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。硫（硫（S S）硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。第2章 钢结构的材料第23页/共184页磷磷(P)(P)磷既有害也有利用。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强
16、度和抗锈蚀能力。氧氧(O)(O)、氮、氮(N)(N)氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。第2章 钢结构的材料第24页/共184页第2章 钢结构的材料成材过程的影响成材过程的影响 1冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉、氧气顶吹转炉、碱性侧吹转炉及电炉炼钢四种。建筑钢结构中主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。冶炼过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。第25页/共184页第2章 钢结构的材料2浇铸 熔炼好的钢水可浇铸成钢锭或钢坯。铸锭过程中因脱氧程度不同，最终
17、成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。钢在冶炼及浇铸过程中会产生冶金缺陷。常见缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。成材过程的影响成材过程的影响 第26页/共184页第2章 钢结构的材料3 3轧制轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。成材过程的影响成材过程的影响 第27页/共184页第2章 钢结构的材料4 4热处理热处理 目的在于取得高强度同时保持良
18、好塑性和韧性。正火：把钢材加热至850900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却。回火：将钢材重新加热至650 oC并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。成材过程的影响成材过程的影响 第28页/共184页第2章 钢结构的材料影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 1.冷加工硬化(应变硬化)常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形，由于减小了塑性和韧性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型的，也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于这个原因，薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。第29页
19、/共184页图2.5 钢材的硬化第2章 钢结构的材料时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆，应变时效指应变硬化又加时效硬化。由于这些使钢材转脆，所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保证结构有长期的抗脆性破坏能力。第30页/共184页第2章 钢结构的材料2.2.温度的影响温度的影响 正温范围：总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在200oC以内性能没有很大变化，430-540oC之间则强度急剧下降；到600oC时不能承担荷载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260-320oC时有徐变现象。设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。第
20、31页/共184页第2章 钢结构的材料图2.6 高温对钢材性能的影响第32页/共184页第2章 钢结构的材料 负温范围负温范围 ：fy与fu都增高但塑性减小，材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度，在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度。图2.7 Cv值随温度T的变化第33页/共184页第2章 钢结构的材料3.3.应力集中应力集中 当截面完整性遭到破坏，如有裂纹、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。孔边
21、应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时，在y方向(横向)将要收缩，当板厚较大时还将引起z方向收缩。第34页/共184页第2章 钢结构的材料 三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。其破坏属于脆性断裂。所以，三向应力状态使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到约束，材料容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。图2.8 孔洞、缺口处的应力集中第35页/共184页2.4 2.4 钢材的延性破坏和非延性破钢材的延性破坏和非延性破坏坏 循环加载和快速加载的效循环加载和快速加载的效应应 有屈服现象的钢材或者虽然没
22、有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料脆性材料。第2章 钢结构的材料延性破坏和非延性破坏延性破坏和非延性破坏第36页/共184页第2章 钢结构的材料塑性材料塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材原始的化学成分，熔炼与轧制条件，也和所处的工作条件相关。即使原来塑性好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而
23、应该区分材料可能发生的塑性破和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。坏与脆性破坏。第37页/共184页 1 1疲劳断裂的概念疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，可能贯穿于连接焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性较大。第2章 钢结构的材料循环荷载的效应循环荷载的效应第38页/共184页 疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区，其余部分则为粗糙区。第2章 钢结构的材料循
24、环荷载的效应循环荷载的效应图2.9 断口示意1光滑区；2粗糙区第39页/共184页第2章 钢结构的材料应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个值。连续重复荷载之下应力往复变化一周叫做一个循环。循环。完全对称循环(-1)静荷载作用(+1)第40页/共184页第2章 钢结构的材料 脉冲循环(0)一般应力循环(-1t时矩形截面杆件的扭转剪应力I t扭转常数或扭转惯性矩第81页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 对于矩形组合开口薄壁截面薄板组合截面扭转剪力和扭矩第82页/共184页第3章 构件的截面承载力
25、强度 对于热轧型钢开口截面，考虑圆角影响系数系数 k k第83页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 对于闭口截面It1:500 ,30:1闭合截面的循环剪力闭合截面的循环剪力流流截面面积相同的两种截面截面面积相同的两种截面第84页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 约束扭转约束扭转:翘曲变形受到约束的扭转悬臂工字梁的约束扭转第85页/共184页第3章 构件的截面承载力强度扭矩平衡方程扭矩平衡方程其中扭转剪应力分布上翼缘的内力第86页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 约束扭转正应力约束扭转正应力 B B 双弯矩（双力矩）对工形截面梁对冷弯槽钢等非双轴对称梁第87页/共184页
26、第3章 构件的截面承载力强度 局部压应力局部压应力3.33.3 梁的局部压应力和组合应力梁的局部压应力和组合应力局部压应力作用第88页/共184页第3章 构件的截面承载力强度式中 集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁取 =1.35，其他取=1.0 l lz z 压应力分布长度第89页/共184页第3章 构件的截面承载力强度多种应力的组合效应多种应力的组合效应一个截面上弯矩和剪力都较大时，需要考虑组合效应梁的弯剪应力组合第90页/共184页第3章 构件的截面承载力强度式中 1 1 与 c c异号时取1.2，同号时取1.1 当横向荷载不通过剪心时：验算公式：第91页/共184页第3章 构件的截面承
27、载力强度初选截面初选截面3.4 3.4 按强度条件选择梁截面按强度条件选择梁截面 型钢梁型钢梁HW4144051828，Wx=4490cm3，g=233kg/mHM5943021423，Wx=4620cm3，g=175kg/mHN6923001320，Wx=4980cm3，g=166kg/m第92页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 焊接组合截面梁焊接组合截面梁 截面高度截面高度 容许最大高度hmax 容许最小高度hmin hmin=nl/6000 经济高度hehminhhmax，hhe焊接梁截面第93页/共184页第3章 构件的截面承载力强度均布荷载作用下简支梁的最小高均布荷载作用下简
28、支梁的最小高度度h hminmin第94页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 腹板高度腹板高度h hw w 腹板高度hw比h略小。腹板厚度腹板厚度t tw w 抗剪可取1.21.5局部稳定焊接梁截面第95页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 翼缘尺寸翼缘尺寸b b和和t t 所需截面模量为：初选时取hh1hw考虑局部稳定，通常取b=25t，且h/2.5bh/6。焊接梁截面第96页/共184页第3章 构件的截面承载力强度截面验算截面验算验算时要包含自重产生的效应 强度强度 弯曲正应力弯曲正应力单向弯曲时双向弯曲时第97页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 剪应力剪应力 局部压应
29、力局部压应力 折算应力折算应力第98页/共184页第3章 构件的截面承载力强度梁截面沿长度的变化梁截面沿长度的变化 弯矩 剪力 加工因素 不考虑整体稳定变截面梁 变梁截面考虑的因素变梁截面考虑的因素：两种变化方式两种变化方式 变截面高度 变翼缘面积第99页/共184页第3章 构件的截面承载力强度 变翼缘面积变翼缘面积 变翼缘宽度 变翼缘厚度变宽度梁变高度梁第100页/共184页第3章 构件的截面承载力强度端部有正面角焊缝时：hf0.75t,l1b；hffp=fy-rc时，截面出现塑性区，应力分布如图4.7(d)。柱屈曲可能的弯曲形式有两种：沿强轴（x轴）和沿弱轴（y轴）,因此，临界应力为：第四
30、章 单个构件的承载能力稳定性第131页/共184页纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响响第四章 单个构件的承载能力稳定性显然，残余应力对弱轴的影响要大于对强轴的影响（k1）。根据力的平衡条件再建立一个截面平均应力的计算公式：联立以上各式，可以得到与长细比x和y对应的屈曲应力x和y。第132页/共184页纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影纵向残余应力对轴心受压构件整体稳定性的影响响可将其画成无量纲曲线，如右（c）：纵坐标是屈曲应力与屈服强度的比值，横坐标是正则化长细比。第四章 单个构件的承载能力稳定性轴心受压柱cr无量纲曲线第133页/共184
31、页构件初弯曲对轴心受压构件整体稳定性的影响构件初弯曲对轴心受压构件整体稳定性的影响假定：两端铰支压杆的初弯曲曲线为：式中：0长度中点最大挠度。令:N作用下的挠度的增加值为y，由力矩平衡得:将式 代入上式，得:第四章 单个构件的承载能力稳定性具有初弯曲的轴心压杆第134页/共184页构件初弯曲对轴心受压构件整体稳定性的影响构件初弯曲对轴心受压构件整体稳定性的影响第四章 单个构件的承载能力稳定性杆长中点总挠度为：根据上式，可得理想无限弹性体的压力挠度曲线如右图所示。实际压杆并非无限弹性体，当N达到某值时，在N和Nv的共同作用下，截面边缘开始屈服，进入弹塑性阶段，其压力挠度曲线如虚线所示。具有初弯曲
32、压杆的压力挠度曲线第135页/共184页构件初偏心对轴心受压构件整体稳定性的影响构件初偏心对轴心受压构件整体稳定性的影响微弯状态下建立微分方程：解微分方程，即得：所以，压杆长度中点（x=l/2）最大挠度：第四章 单个构件的承载能力稳定性具有初偏心的轴心压杆第136页/共184页构件初偏心对轴心受压构件整体稳定性的影响构件初偏心对轴心受压构件整体稳定性的影响其压力挠度曲线如图：曲线的特点与初弯曲压杆相同，只不过曲线过圆点，可以认为初偏心与初弯曲的影响类似，但其影响程度不同，初偏心的影响随杆长的增大而减小，初弯曲对中等长细比杆件影响较大。第四章 单个构件的承载能力稳定性有初偏心压杆的压力挠度曲线第
33、137页/共184页杆端约束对轴心受压构件整体稳定性的影响杆端约束对轴心受压构件整体稳定性的影响实际压杆并非全部铰接，对于任意支承情况的压杆，其临界力为：式中：lo杆件计算长度；计算长度系数，取值见课本表43（p95）。第四章 单个构件的承载能力稳定性第138页/共184页轴心受压构件的整体稳定计算（弯曲屈曲）轴心受压构件的整体稳定计算（弯曲屈曲）第四章 单个构件的承载能力稳定性1.轴心受压柱的实际承载力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。压杆的压力挠度曲线第139页
34、/共184页轴心受压构件的整体稳定计算（弯曲屈曲）轴心受压构件的整体稳定计算（弯曲屈曲）第四章 单个构件的承载能力稳定性轴心受压柱按下式计算整体稳定：式中 N 轴心受压构件的压力设计值；A 构件的毛截面面积；轴心受压构件的稳定系数；f 钢材的抗压强度设计值。第140页/共184页轴心受压构件的整体稳定计算（弯曲屈曲）轴心受压构件的整体稳定计算（弯曲屈曲）第四章 单个构件的承载能力稳定性2.列入规范的轴心受压构件稳定系数 3.轴心受压构件稳定系数的表达式 轴心受压构件稳定系数第141页/共184页轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲第四章 单个构件的承载能力稳定性轴心
35、受压构件的屈曲形态除弯曲屈曲外(下图a所示)，亦可呈扭转屈曲和弯扭屈曲(下图b，c所示)。轴心受压构件的屈曲形态第142页/共184页轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲第四章 单个构件的承载能力稳定性1.扭转屈曲十字形截面第143页/共184页轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲根据弹性稳定理论，两端铰支且翘曲无约束的杆件，其扭转屈曲临界力，可由下式计算：i0截面关于剪心的极回转半径。引进扭转屈曲换算长细比z：第四章 单个构件的承载能力稳定性第144页/共184页轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲第四章 单
36、个构件的承载能力稳定性2.弯扭屈曲单轴对称截面第145页/共184页轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲轴心受压构件的扭转屈曲和弯扭屈曲开口截面的弯扭屈曲临界力Nxz，可由下式计算：NEx为关于对称轴x的欧拉临界力。引进弯扭屈曲换算长细比xz：第四章 单个构件的承载能力稳定性第146页/共184页4.3 4.3 实腹式柱和格构式柱的截面选择计实腹式柱和格构式柱的截面选择计算算1.实腹式轴心压杆的截面形式2.实腹式轴心压杆的计算步骤 (1)假定杆的长细比；(2)确定截面各部分的尺寸；(3)计算截面几何特性，按 验算杆的整体稳定；(4)截面有较大削弱时还应验算净截面的强度；(5)刚度验算。第四章 单个
37、构件的承载能力稳定性实腹式柱的截面选择计算实腹式柱的截面选择计算第147页/共184页格构式柱的截面选择计算格构式柱的截面选择计算1.格构式轴心压杆的组成在构件的截面上与肢件的腹板相交的轴线称为实轴，如图中前三个截面的y轴，与缀材平面相垂直的轴线称为虚轴，如图中前三个截面的的x轴。第四章 单个构件的承载能力稳定性截面形式第148页/共184页格构式柱的截面选择计算格构式柱的截面选择计算肢件 缀材第四章 单个构件的承载能力稳定性格构柱组成第149页/共184页格构式柱的截面选择计算格构式柱的截面选择计算2.剪切变形对虚轴稳定性的影响 双肢格构式构件对虚轴的换算长细比的计算公式：缀条构件 缀板构件
38、 x 整个构件对虚轴的长细比；A 整个构件的横截面的毛面积；A1x 构件中垂直于x轴各斜缀条的毛截面积之和；1 单肢对平行于虚轴的形心轴的长细比。第四章 单个构件的承载能力稳定性第150页/共184页格构式柱的截面选择计算格构式柱的截面选择计算3.杆件的截面选择 对实轴的稳定和实腹式压杆那样计算，即可确定肢件截面的尺寸。肢件之间的距离是根据对实轴和虚轴的等稳定条件0 x=y确定的。可得：或第四章 单个构件的承载能力稳定性第151页/共184页格构式柱的截面选择计算格构式柱的截面选择计算 算出需要的x和ix=l0 xx以后，可以利用附表14中截面回转半径与轮廓尺寸的近似关系确定单肢之间的距离。缀
39、条式压杆：要预先给定缀条的截面尺寸，且单肢的长细比应不超过杆件最大长细比的0.7倍。缀板式压杆：要预先假定单肢的长细比1，且单肢的长细比1不应大于40，且不大于杆件最大长细比的0.5倍(当max0.6 fy，即当算得的稳定系数b0.6时，梁已进入了弹塑性工作阶段，其临界弯矩有明显的降低。此时，应按下式对稳定系数进行修正：b=1.07-0.282/b1.0 进而用修正所得系数b 代替b作整体稳定计算。第四章 单个构件的承载能力稳定性第168页/共184页整体稳定系数整体稳定系数 b b值的近似计算值的近似计算 对于受均布弯矩(纯弯曲)作用的构件，当 y y 120(235/fy)120(235/
40、fy)1/21/2时，其整体稳定系数b 可按下列近似公式计算：1工字形截面 双轴对称时：单轴对称时：第四章 单个构件的承载能力稳定性第169页/共184页2.T形截面(弯矩作用在对称轴平面，绕x轴)弯矩使翼缘受压时：双角钢组成的T形截面 剖分T型钢板组成的T形截面 弯矩使翼缘受拉且腹板宽厚比不大于 时第四章 单个构件的承载能力稳定性第170页/共184页整体稳定性的保证整体稳定性的保证符合下列任一情况时，不必计算梁的整体稳定性。1有铺板(各种钢筋混 凝土板和钢板)密铺 在梁的受压翼缘上并 与其牢固相连接，能 阻止梁受压翼缘的侧 向位移时；2H型钢或工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度l1与其宽度
41、b1之比不超过下表所规定的数值时第四章 单个构件的承载能力稳定性侧向有支撑点的梁第171页/共184页第四章 单个构件的承载能力稳定性钢号跨中无侧向支撑点的梁跨中受压翼缘有侧向支撑点的梁无论荷载作用于何处荷载作用在上翼缘荷载作用于下翼缘Q23513.020.016.0Q34510.516.513.0Q39010.015.512.5Q4209.515.012.0H型钢或工字形截面简支梁不需计算整体稳定性的最大l1/b1值第172页/共184页3箱形截面简支梁，其截面尺寸满足hb06，且 l1b0不超过95(235/fy)时，不必计算梁的整体稳定性。第四章 单个构件的承载能力稳定性箱形截面梁第17
42、3页/共184页 对于不符合上述任一条件的梁，则应进行整体稳定性的计算。在最大刚度主平面内弯曲的构件，应按下式验算整体稳定性：在两个主平面内受弯曲作用的工字形截面构件，应按下式计算整体稳定性：第四章 单个构件的承载能力稳定性第174页/共184页4.5 4.5 压弯构件的面内和面外稳定性及截面选择计算压弯构件的面内和面外稳定性及截面选择计算 压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性压弯构件在弯矩作用平面内的稳定性1.压弯构件在弯矩作用平面内的失稳现象第四章 单个构件的承载能力稳定性压弯构件的M-曲线第175页/共184页2.在弯矩作用平面内压弯构件的弹性性能对于在两端作用有相同弯矩的等截面压弯构件，如
43、下图所示，在轴线压力N和弯矩M的共同作用下 第四章 单个构件的承载能力稳定性等弯矩作用的压弯构件第176页/共184页 取出隔离体，建立平衡方程：求解可得构件中点的挠度为：由三角级数有：第四章 单个构件的承载能力稳定性第177页/共184页 构件的最大弯矩为：其中NE=2EIl2，为欧拉力。如果近似地假定构件的挠度曲线与正弦曲线的半个波段相一致，即y=vsinxl，则有：那么最大弯矩为：第四章 单个构件的承载能力稳定性第178页/共184页 上两式中的 和 都称为在压力作用下的弯矩放大系数，用于考虑轴压力引起的附加弯矩。对于其它荷载作用的压弯构件，也可用与有端弯矩的压弯构件相同的方法先建平衡方
44、程，然后求解。几种常用的压弯构件的计算结果及等效弯矩系数列于下表中，比值m=Mmax/M或MmaxM1称为等效弯矩系数，利用这一系数就可以在面内稳定的计算中把各种荷载作用的弯矩分布形式转化为均匀受弯来看待。第四章 单个构件的承载能力稳定性第179页/共184页压弯构件的最大弯矩与等效弯矩系数压弯构件的最大弯矩与等效弯矩系数 第四章 单个构件的承载能力稳定性第180页/共184页3.实腹式压弯构件在弯矩作用平面内的承载能力 由于实腹式压弯构件在弯矩作用平面失稳时已经出现了塑性，前面的弹性平衡微分方程不再适用。计算实腹式压弯构件平面内稳定承载力通常有两种方法：近似法 数值积分法 第四章 单个构件的承载能力稳定性第181页/共184页4.实腹式压弯构件在弯矩作用平面内稳定计算的实用计算公式 对于单轴对称截面的压弯构件，除进行平面内稳定验算外，还应按下式补充验算第四章 单个构件的承载能力稳定性第182页/共184页压弯构件弯矩作用平面外的稳定性压弯构件弯矩作用平面外的稳定性1.双轴对称工字形截面压弯构件的弹性弯扭屈曲临界力 第四章 单个构件的承载能力稳定性双轴对称工字形截面压弯构件弯扭屈曲第183页/共184页第一章 概述感谢您的观看。第184页/共184页