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1、钢结构制作与安装教案单元 3 钢结构构件课题 1 轴心受力构件单元三钢结构构件课题 1轴心受力构件1 1 概述概述1 1）轴心受力构件）轴心受力构件:只有轴向力的作用，称为轴心受力构件。轴心受拉构件：轴心受拉构件：只有轴向压力的作用。轴心受压构件：轴心受压构件：只有轴向拉力的作用。应用实例：应用实例：桁架、刚架、排架、塔架及网壳等杆件体系结构等，通常假设其节点为铰接连接，无节间荷载作用，可视为轴心受拉构件和轴心受压构件。2 2）柱的组成及作用）柱的组成及作用柱由柱头、柱身、柱脚组成。柱头：用来承受平台梁或桁架传来的荷载；柱脚：将压力传至基础。教教案案首首页页2 2 截面形式截面形式常用截面形式
2、：实腹式、格构式。1、实腹式的截面形式型钢截面组合截面角钢组合截面（桁架结构）冷弯薄壁型钢（轻型结构）2.格构式的截面形式：缀条、缀板l13 3 轴向受力构件的设计轴向受力构件的设计3l01l1教教案案首首页页轴心受力构件，作为一种受力构件，就应满足承载能力与正常使用两种极限状态的要求。承载能力极限状态：强度和稳定承载能力极限状态：强度和稳定轴心受拉：强度轴心受拉：强度轴心受压：强度和稳定轴心受压：强度和稳定正常使用极限状态：变形（刚度，长细比）正常使用极限状态：变形（刚度，长细比）1 1、轴心受力构件的强度计算、轴心受力构件的强度计算轴心受力构件的强度是以截面的平均应力达到钢材的屈服应力为承
3、载力极限状态。轴心受力构件的强度计算公式为式中：N构件的轴心拉力或压力设计值；构件的净截面面积；钢材的抗拉强度设计值。N fAn对于采用高强度螺栓摩擦型连接的构件，验算净截面强度时一部分剪力已由孔前接触面传递。因此，验算最外列螺栓处危险截面的强度时，应按下式计算：N N(10.5式中：n 连接一侧的高强度螺栓总数；n1)nn1计算截面（最外列螺栓处）上的高强度螺栓数；0.5孔前传力系数。采用高强度螺栓摩擦型连接的拉杆，除验算净截面强4教教案案首首页页度外，还应按下式验算毛截面强度式中：构件的毛截面面积。NfA2 2、轴心受力构件的刚度计算、轴心受力构件的刚度计算1)为满足结构的正常使用要求，轴
4、心受力构件应具有一定的刚度。长细比过大产生的不利影响：长细比过大产生的不利影响：a在运输和安装过程中产生弯曲或过大的变形b 使用期间因其自重而屈曲c在动力荷载作用下发生较大的振动d 压杆的长细比过大时，还将使构件的承载力降低过多。2)轴心受力构件的刚度是以限制其长细比来保证的，即式中：构件的最大长细比；构件的容许长细比。（引导学生查表）（引导学生查表）注：注：在直接或间接承受动力荷载的结构中，计算单角钢受拉构件的长细比时，应采用单角钢的最小回转半径；计算单角钢交叉杆件平面外的长细比时，应采用角钢肢边平行轴的回转半径。在承受静力荷载的结构中，可仅计算受拉构件在竖向平面内的长细比；5教教案案首首页
5、页钢结构制作与安装教案单元 3 钢结构构件课题 2 受弯构件6课题 2受弯构件受弯构件1 1 概述概述1 1、受弯构件的形式和应用、受弯构件的形式和应用1 1）实腹式受弯构件：钢梁）实腹式受弯构件：钢梁钢梁主要是用作承受横向荷载的实腹式构件（格构式为桁架），主要内力为弯矩与剪力；如：楼盖梁、工作平台梁、吊车梁、屋面檩条等。钢梁的正常使用极限状态：控制梁的挠曲变形；钢梁的承载能力极限状态包括：强度、整体稳定性及局部稳定性。实腹式钢梁的类型实腹式钢梁的类型（1）钢梁按支撑形式分为：简支梁、连续梁、悬臂梁；（2）钢梁按截面形式分为：型钢梁、组合梁。槽钢多用作檩条、墙梁。组合梁的截面组成比较灵活，可使
6、材料在截面上的分布更为合理，且节约钢材。荷载很大而高度受限或梁的抗扭要求较高时，可采用箱形截面。梁格梁格梁格是由主次梁排列而成的平面体系，例如楼盖和工作平台等。梁格上的荷载传递：铺板次梁主梁柱或墙基础地基。按主次梁的排列方式分为三种：单向梁格（简单梁格）：适用于楼盖、平台结构的横向尺寸较小或面板跨度较大的情况；双向梁格（普通梁格）：简单梁格的梁距比较大，在梁格之间可在铺上次梁。复式梁格：荷载传递层次多，梁格构造复杂，应用较少，只适用于荷载大、主梁间距很大的情况。教教案案首首页页铺板可采用钢筋混凝土板、钢板或由压型钢板与混凝土组成的组合板。铺板宜与梁牢固连接使两者共同工作，可分担梁的受力而节约钢
7、材，并增强梁的整体稳定性。2 2）格构式受弯构件：桁架格构式受弯构件：桁架特点：以弦杆代替翼缘，以腹杆代替腹板，而在各节点将腹杆与弦杆连接，这样桁架整体受弯时，M 表现为上、下弦杆的轴心拉力和压力，Q 则表现为各腹杆的轴心拉力和压力。钢桁架可以根据不同使用要求制成所需的外形，对跨度和高度较大的构件，其钢材用量比实腹式梁有所减少，而刚度有所增加。桁架的杆件和节点较多，构造较复杂，制造较为费工。如：屋架、托架、吊车桁架。2 2 梁的强度与刚度梁的强度与刚度1 1、强度计算、强度计算梁在荷载作用下将产生弯应力、剪应力，在集中荷载作用处还有局部承压应力，故梁的强度应包括：抗弯强度、抗剪强度、局部承压强
8、度，在弯应力、剪应力及局部压应力共同作用处还应验算折算应力。1 1）梁的抗弯强度）梁的抗弯强度钢梁在弯矩作用下，可分为三个工作阶段，即弹性、弹塑性及塑性阶段。弹性阶段：以边缘屈服为最大承载力弹塑性阶段：以塑性铰弯矩为最大承载力弹性设计与塑性设计：弹性设计与塑性设计：把梁的边缘纤维达到屈服强度作为设计的极限状态，叫做弹性设计。在一定条件下，考虑塑性变形的发展，称为塑性设计。规范：以梁截面塑性发展到一定深度（即截面只有部分区域进入塑性区）作为设计规范：以梁截面塑性发展到一定深度（即截面只有部分区域进入塑性区）作为设计极限状态。极限状态。MxMx fxWnxxWny8教教案案首首页页M 弯矩；强调：
9、截面塑性发展系数。强调：截面塑性发展系数。对于工字形截面x=1.05，y=1.2；对于箱形截面x=y=1.05；对其它截面按表采用，此处 x 为强轴，y 为弱轴。计算强度时采用净截面参数An、Wnx、Wny。注意x、y不同情况下的取值。2 2）梁的抗剪强度）梁的抗剪强度VS fvItW式中V计算截面沿腹板平面作用的剪力；I梁的毛截面惯性矩；S中和轴以上或以下截面对中和轴的面积矩，按毛截面计算；tw腹板厚度；fv钢材抗剪强度设计值。注意：注意：1、对于轧制工字钢和槽钢因受轧制条件限制，腹板厚度tw 相对较大，当无当无较大截面削弱时，可不必验算抗剪强度。较大截面削弱时，可不必验算抗剪强度。2、当梁
10、的抗剪强度不满足设计要求时，最常采用加大腹板厚度的办法来增大梁的抗剪强度。3 3）梁的局部承压强度）梁的局部承压强度当梁的翼缘受有沿腹板平面作用的固定集中荷载且该荷载处又未设置支承加劲肋，或受有移动的集中荷载时，应验算腹板计算高度边缘的局部承压强度。cFtwlz f强调：强调：F集中荷载，对动力荷载应考虑动力系数；集中荷载增大系数，对重级工作制吊车梁=1.35；对其它梁=1.0。lz集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，按下式计算lz=a+2hy a集中荷载沿梁跨方向的支承长度，对吊车梁取 50mm；hy自吊车梁轨顶或其它梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离。在梁的支座处，当不设置加劲肋时，
11、也应按式（5.10）计算腹板计算高度下边缘的局部压应力，但取 1.0。支座反力的假定分布长度，应根据支座具体尺寸按式（5.11）计算。（4 4）折算应力）折算应力在组合梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应力，9教教案案首首页页或同时受有较大的正应力和剪应力，应验算其折算应力，如图所示。折算应力验算公式为：eq2c2c321f两同号取 1.1，异号取 1.23.3.梁的稳定设计梁的稳定设计1 1）梁的整体稳定）梁的整体稳定梁受弯变形后，上翼缘受压，由于梁侧向刚度不够，就会发生梁的侧向弯曲失稳变形，梁截面从上至下弯曲量不等，就形成截面的扭转变形，同时还有弯矩作用平面那的
12、弯曲变形，故梁的失稳为弯扭失稳形式，完整的说应为：侧向弯曲扭转失稳。从以上失稳机理来看，提高梁的整稳承载力的有效措施应为提高梁上翼缘的侧移刚度，减小梁上翼缘的侧向计算长度.影响梁整体稳定的因素：影响梁整体稳定的因素：截面形式、荷载类型、荷载作用方式、受压翼缘的侧向支撑。梁的整体稳定保证措施：梁的整体稳定保证措施：提高梁的整体稳定承载力的关键是，增强梁受压翼缘的抗侧移及扭转刚度。在实际工程中，梁的整体稳定常由铺板或支撑来保证，梁常与其它构件相互连接，有利于阻止梁丧失整体稳定。规范规定，当符合下列情况之一时，都不必计算梁的整体稳定性：（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
13、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之比不超过规定的数值时。如：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。为提高梁的稳定承载能力，在梁的上翼缘设置可靠的侧向支撑，如图所示的梁，其下翼缘连于支座，上翼缘也用钢板连于支承构件上以防止侧向移动和梁截面扭转。高度不大的梁也可以靠10教教案案首首页页在支座截面处设置的支承加劲肋来防止梁端的扭转。2 2）梁的局部稳定）梁的局部稳定同轴压构件一样，为提高梁的刚度与强度及整体稳定承载力，应遵循“肢宽壁薄”的设计原则，从而引发板件的局部稳定承载力问题。翼缘板受力较
14、为简单，仍按限制板件宽厚比的方法来保证局部稳定性。腹板受力复杂，而且为满足强度要求，截面高度较大，如仍采用限制梁的腹板高厚比的方法，会使腹板取值很大，不经济，一般采用加劲肋的方法来减小板件尺寸，从而提高局部稳定承载力。图 1横向加劲肋 2纵向加劲肋 3短加劲肋横向加劲肋贯通，纵向加劲肋断开；横向加劲肋应按图示切角，避免多向焊缝相交，产生复杂应力场。支承加劲肋：在梁支座处及较大集中荷载作用处，应布置支承加劲肋，支承加劲肋实际上就是加大的横向加劲肋，支承加劲肋分梁腹板两侧成对布置的平板式，及凸缘式两种。11教教案案首首页页12教教案案首首页页钢结构制作与安装教案单元 3 钢结构构件课题 3 拉压弯
15、构件13钢结构制作与安装教案单元三钢结构构件课题 3拉压弯构件1 1 拉弯、压弯构件的形式和应用拉弯、压弯构件的形式和应用1 1）概念：概念：拉弯构件：同时受轴向拉力和弯矩的构件。拉弯构件：同时受轴向拉力和弯矩的构件。压弯构件：同时受轴向压力和弯矩的构件压弯构件：同时受轴向压力和弯矩的构件弯矩：可能由偏心轴向力、端弯矩或横向荷载等作用产生。弯矩：可能由偏心轴向力、端弯矩或横向荷载等作用产生。NNM2NNeNM2NNFFM1NNNeM1NN压弯构件压弯构件拉弯构件拉弯构件单向压弯（或拉弯）构件：弯矩作用在截面的一个主轴平面内。双向压弯（或拉弯）构件：弯矩作用在两个主轴平面内。2 2）拉弯、压弯构
16、件的应用）拉弯、压弯构件的应用压弯构件应用比较广泛，如，有横向节间荷载作用的桁架上弦杆、屋架天窗侧立柱、单层厂房柱、以及多层或高层房屋的框架柱等都属于压弯构件。钢结构中拉弯构件应用较少，桁架的下弦杆有时作用有非节点荷裁，这种下弦杆就是拉弯构件。3 3）拉弯、压弯构件的形式）拉弯、压弯构件的形式按其截面形式：实腹式、格构式常用的截面形式：热轧型钢截面、冷弯薄壁型钢截面、组合截面14钢结构制作与安装教案4 4）拉弯、压弯构件设计）拉弯、压弯构件设计进行拉弯和压弯构件设计时，应同时满足:承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。拉弯构件拉弯构件：需要计算强度和刚度（限制长细比）；压弯构件压弯构件：需
17、要计算强度、整体稳定（弯矩作用平面内稳定和弯矩作用平面外稳定）、局部稳定和刚度（限制长细比）。拉弯构件的容许长细比和轴心拉杆相同，压弯构件的容许长细比和轴心压杆相同。在拉弯构件所受弯矩较大而拉力较小时，由于其作用已接近受弯构件，就需要验算其整体稳定；在拉力和弯矩作用下出现翼缘板受压时，也需验算翼缘板的局部稳定。这些当根据具体情况加以判断。2 2 拉弯、压弯构件的强度拉弯、压弯构件的强度1 1、工作阶段、工作阶段在轴心压力和绕主轴弯矩的共同作用下，截面上应力发展过程，构件中应力最大的截面可能发生强度破坏。Aw=hwtwHfy(a)(b)(c)hwhA =b tffyfyfyfyhh)h(1-2H
18、xMxxNfy(d)压弯构件截面应力的发展过程2 2、强度计算准则、强度计算准则边缘屈服准则，在构件受力最大的截面上，截面边缘处的最大应力达到屈服时即认为构件达到了强度极限，此时构件在弹性段工作；截面边缘纤维屈服的弹性受力阶段极限状态作为强度计算的承载能力极限状态。全截面屈服准则，构件的最大受力截面的全部受拉和受压区的应力都达到屈服，此时，这一截面在拉力（压力）和弯矩的共同作用下形成塑性铰；截面塑性受力阶段极限状态作为强度计算的承载能力极限状态，形成塑性铰。15钢结构制作与安装教案部分发展塑性准则，构件的最大受力截面的部分受拉和受压区的应力达到屈服点，至于截面中塑性区发展的深度根据具体情况给定
19、。此时，构件在弹塑性段工作。截面部分塑性发展作为强度计算的承载能力极限状态3 3、拉弯及压弯构件截面强度的验算公式、拉弯及压弯构件截面强度的验算公式在一般情况下，拉弯或压弯构件截面的塑性区不能开展太大在一般情况下，拉弯或压弯构件截面的塑性区不能开展太大，因为截面上塑性区较大时，会使构件产生过大变形而不能正常使用。同梁的强度计算类似，拉弯和压弯构件设计时考虑采用有限塑性，这里限制塑性区的深度不超过 0.15 倍的截面高度。按部分发展塑性准则，截面强度就可采用下述相关公式计算：1）单向拉弯、压弯构件按下式计算截面强度：MxNfAnxWnx2）双向拉弯、压弯构件计算截面强度：MyNMxfAnxWnx
20、yWny下列情况不考虑塑性开展：下列情况不考虑塑性开展：1）计算疲劳的实腹式拉弯、压弯构件2）格构式构件，当弯矩绕虚轴作用时3）为了保证受压翼缘在截面发展塑性时不发生局部失稳受压翼缘的自由外伸宽度b1与其厚度t之比限制为13当13b235235115时不考虑塑性开展。tfyfy235b1tfy4 4、刚度、刚度同轴心构件验算公式：其中当弯矩绕虚轴作用时，应取换算长细比验算。3 3 实腹式构件的整体稳定实腹式构件的整体稳定1 1、压弯构件整体失稳形式、压弯构件整体失稳形式单向压弯构件的整体失稳分为：弯矩作用平面内和弯矩作用平面外两种情况16钢结构制作与安装教案弯矩作用平面内失稳为弯曲屈曲；弯矩作
21、用平面外失稳为弯扭屈曲；双向压弯构件则只有弯扭失稳一种可能。2 2、单向压弯构件弯矩作用平面内的整体稳定、单向压弯构件弯矩作用平面内的整体稳定单向压弯构件弯矩作用平面内整体稳定验算公式为：绕虚轴（x轴）弯曲的格构式压弯构件NmxMx f/xAW1x(1xN NEx)实腹式压弯构件和绕实轴弯曲的格构式压弯构件NmxMx f/xAxW1x(10.8N NEx)对于单轴对称截面（如 T 形截面）压弯构件，当弯矩作用在对称轴平面内且使较大翼缘受压时，有可能在较小翼缘（或无翼缘）一侧产生较大的拉应力而出现受拉破坏。这种情况，除计算外，尚应补充如下计算：这种情况，除计算外，尚应补充如下计算：mxMxN f
22、/AxW2x(1 1.25 N NEx)式中W2x弯矩作用平面内受压较小翼缘（或无翼缘端）的毛截面模量。等效弯矩系数可按以下规定采用：（1）悬臂构件和在内力分析中未考虑二阶效应的无支撑框架和弱支撑框架柱，1.0。（2）框架柱和两端支承的构件：无横向荷载作用时，mx=0.65+0.35m2，m2和m1是构件两端的弯矩，|m1|m2|；m1当两端弯矩使构件产生同向曲率时取同号，使构件产生反向曲率（有反弯点）时取异号。有端弯矩和横向荷载同时作用时，使构件产生同向曲率取mx=1.0。使构件产生反向曲率取mx=0.85。无端弯矩但有横向荷载作用时，mx=1.0。3 3、实腹式构件在弯矩平面外的整体稳定、
23、实腹式构件在弯矩平面外的整体稳定17钢结构制作与安装教案弯矩作用平面外的抗弯刚度通常较小，构件在弯矩作用平面外没有足够的支撑可能发生弯扭屈曲（弯扭失稳）构件弯矩作用平面外的整体失稳MNtxx fyAbW1x弯矩作用平面外的轴心受压构件稳定系数；均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数，对闭口截面取 1.0；所计算构件段范围内的最大弯矩；截面影响系数，闭口截面取 0.7，其他截面取 1.0；等效弯矩系数，按下列规定采用：1）在弯矩作用平面外有支承的构件，应根据两相邻支承点间构件段内的荷载和内力情况确定：所考虑构件段无横向荷载作用时M1 和 M2 是在弯矩作用平面内的端弯矩，使构件段产生同向曲率时取同号，反
24、之取异号，且。1.0；使构件产生反向曲率时，1.0。1.0。0.85。所考虑构件段内有端弯矩和横向荷载同时作用时：使构件产生同向曲率时，所考虑构件段内无端弯矩但有横向荷载作用时2）弯矩作用平面外为悬臂的构件4 4 实腹式压弯构件的局部稳定实腹式压弯构件的局部稳定1.1.翼缘的局部稳定翼缘的局部稳定对于压弯构件的翼缘，就是验算其宽厚比限值。这里与梁的翼缘相同，要求受压翼缘18钢结构制作与安装教案的自由外伸部分的宽厚比限值为对箱形截面构件，受压翼缘在两腹板间的部分的宽厚比限值为2.2.腹板的局部稳定腹板的局部稳定压弯构件腹板的稳定计算比较复杂。考虑塑性区的深度，规范规定的腹板计算高度与厚度之比的限
25、值与弯矩作用平面内的长细比有关，即（1）工字形截面当时，当式中：时，腹板计算高度边缘的最大压应力；腹板计算高度另一边缘相应的应力，应力以压为正，拉应力为负为负；构件在弯矩作用平面内的长细比，当100 时，取100。（2）箱形截面箱形截面腹板的。（3）T 形截面弯矩使腹板自由边受压的压弯构件当时，不应大于由以上公式右侧乘以 0.8 后的值，但不得小于19钢结构制作与安装教案当时，弯矩使腹板自由边受拉的压弯构件热轧剖分 T 型钢，焊接 T 型钢，（150.2）（130.17）当腹板的高厚比不符合上述要求时，可采用与轴心压杆相同的解决方法。但在受压较大翼缘与纵向加劲肋之间的腹板应按本节的要求。5 5
26、 实腹式压弯构件设计实腹式压弯构件设计1、截面形式当承受的弯矩较小时其截面形式与一般的轴心受压构件相同。当承受的弯矩较大时，宜采用弯矩平面内截面高度较大的双轴或单轴对称截面。2、截面选择及验算设计步骤1）计算构件内力设计值；2）选择截面的形式；3）确定钢材及强度设计值；4）确定弯矩作用平面内和平面外的计算长度；5）初选截面尺寸；6）进行验算：强度验算；整体稳定验算；局部稳定验算；刚度验算。由于压弯构件的验算式中所牵涉到的未知量较多，根据估计所初选出来的截面尺寸不一定合适，因而初选的截面尺寸往往需要进行多次调整。6 6 压弯构件构造要求压弯构件构造要求1）腹板的局部稳定性当腹板的高厚比不满足要求时，可考虑腹板中间部分由于失稳而退出工作，计算时腹板截面面积仅考虑两侧宽度各为20tw235/fy的部分(计算构件的稳定系数时仍用全截面)。也可在腹板中部设置纵向加劲肋，此时腹板的受压较大翼缘与纵向加劲肋之间的高厚比应满足要求。h0/tw80时，为防止腹板在施工和运输中发生变形，应设置间距不大2）当腹板的3h0另外，设有纵向加劲肋的同时也应设置横向加劲肋。加劲肋的截面于的横向加劲肋。选择与梁中加劲肋截面的设计相同。20