钢结构制造与安装单元三综述

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1、钢结构制作与安 装教案 单元三 钢结构构件 单元3 钢 结 构 构 件 单元概述：本单元讲述了轴心受力构件的强 度、刚度、稳定计算；受弯构件的强度、刚度、 稳定计算；拉弯和压弯构件的强度、刚度、稳定 计算。 学习目标：通过本单元的学习、训练，学生 应掌握轴心受力构件的基本计算方法；掌握受弯 构件的基本计算方法；了解拉弯和压弯构件的基 本计算方法。 单元三 钢结构构件 课题1 轴心受力构件 课题2 受弯构件 课题3 拉弯和压弯构件 课题1 轴心受力构件 1.概述 轴心受力构件包括轴心受拉构件与轴心受压 构件。在钢结构中，此类构件的应用十分广泛， 例如桁架、塔架和网架、网壳等杆件体系。通常 假设它

2、的节点为铰接连接，当无节间荷载作用时 ，只受轴向拉力和轴向压力的作用。 2、轴心受力构件的截面形式 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 图（a）热轧型钢截面，一般用于受力较小的杆件。 其中圆钢回转半径最小，多用作拉杆，作压杆时用于格构 式压杆的弦杆。钢管的回转半径较大、对称性好、材料利 用率高，拉、压均可。大口径钢管一般用作压杆。型钢的 回转半径存在各向异性，作压杆时有强轴和弱轴之分，材 料利用率不高，但连接较为方便，单价低。 图（b)型钢组合截面，改善了单型钢截面

3、的稳定各向 异性特征，受力较好，连接也较方便 图（c) 类为格构式截面，其回转半径大且各向均匀， 用于较长、受力较大的轴心受力构件，特别是压杆。但其 制作复杂，辅助材料用量多。 H型钢的宽度与高度相同时对强轴的回转半径约 为弱轴回转半径的2倍，对于在中点有侧向支撑的独 立柱最适合。 焊接工字形截面制造简单，其腹板按局部稳定的 要求可作得很薄而节约钢材，应用十分广泛。为使翼 缘与腹板便于焊接，截面的高度和宽度应大致相同。 十字形截面在两个主轴方向的回转半径是相同的 ，对于重型中心受压柱，当两个方向的计算长度相同 时，这种截面最为有利。 方管或由钢板焊成的箱形截面，承载能力和刚度 都较大，但连接构

4、造复杂，常用作高大的承重支柱。 确定轴心受力构件截面形式的原则： 能提供强度所需要的截面面积； 制作简便；便于和相邻构件连接； 截面宽大而壁厚较薄，以满足刚度要求。 （1）轴心受力构件强度计算 轴心受力构件的强度承载能力极限状态是截面的平均应力 达到钢材的屈服强度y。 轴心受力构件的强度按下式验算： 式中 N构件的轴心拉力或压力设计值； An构件的净截面面积； 钢材的抗拉或抗压强度设计值。 2、 轴心受力构件的强度与刚度 （2）刚度验算 轴心受力构件的刚度是以其长细比来衡量的。 轴心受力构件的刚度按下式验算： 式中 构件最不利方向的长细比； I 相应方向的截面回转半径； 构件的容许长细比。 控

5、制刚度的原因： 长细比过大容易使构件在制造、运输和吊装 过程中产生弯曲或过大的变形； 长细比过大会使构件在使用期间因其自重而 明显下挠； 长细比过大会使构件在动力荷载作用下会发 生较大振动； 长细比过大会使构件可能使得构件的极限承 载力显著降低； 长细比过大会使构件初弯曲和自重产生的挠 度也将对构件的整体稳定带来不利影响。 3.轴心拉杆的设计 钢材比其他材料更适合于受拉，因此钢 拉杆不但用于钢结构，还用于钢与钢筋混凝土或 木材的组合结构中。受拉构件没有整体稳定和局 部稳定的问题，极限承载力一般由强度控制，所 以，设计时只考虑强度和刚度。 钢结构设计规 范规定：单面连接单角钢按轴心受力计算强度

6、和连接时，其强度设计值降低15，即应乘以 0.85的折减系数 4.轴心受压构件的整体稳定 稳定性验算的重要性：若结构或构件处于不稳定状态 时，轻微扰动就将使结构或其组成构件产生很大的变形 而最终丧失承载能力,这种现象称为失去稳定性。在钢 结构工程事故中，因失稳导致破坏者十分常见。 近几十年来，由于结构形式的不断发展和高强钢材的 应用，使构件更加轻型而薄壁，更容易出现失稳现象， 因而对钢结构稳定性的验算显得特别重要。 在轴心受力构件中，对于轴心受拉构件 ，由于在拉力作用下，构件总有拉直绷紧的 倾向，其平衡状态总是稳定的，不必进行稳 定性验算。 对于轴心受压构件，截面若没有孔洞 削弱，一般不会因强

7、度不足而丧失承载能力 ，但当其长细比较大时，稳定性是导致其破 坏的主要因素。因此可以说，轴心受压构件 往往是由其稳定性来确定构件截面的。 式中N 轴心受压构件的压力设计值； A 构件的毛截面面积； 钢材的抗压强度设计值； 轴心受压构件的整体稳定系数。 (1)轴心受压构件的整体稳定验算 轴心受压构件的整体稳定性按下式验算: 整体稳定系数 值应根据截面分类（a、b、c三 类）和构件的长细比 以及所采用的钢的牌号，按附 表2-1(a、b、c、d)查出。 构件的长细比按照下列规定确定： 1)截面为双轴对称或极对称的构件 构件对主轴和的计算长度； 构件截面对主轴和的回转半径 对双轴对称十字形截面构件，

8、或 取值不得小 于5.07b/t（其中b/t为悬伸板件宽厚比）。 2)截面为单轴对称的构件 对于单轴对称截面，由于截面形心与 剪心（剪切中心）不重合，绕对称轴失稳时， 在弯曲的同时总伴随着扭转，即形成弯扭屈曲 。相同的情况下，弯扭失稳比弯曲失稳的临界 应力要低。 注意：无任何对称轴且又非极对称的截面 （单面连接的不等边单角钢除外）不宜用作轴 心受压构件。 概念：轴心受压构件的整体稳定系数 与长细比 的关系 曲线，称为柱子曲线.以便于轴心受压构件整体稳定性验算。 图中的a、b、c、d四条曲线，各代表一组截面，如表所示。 概念：如图所示的工字型截 面轴心受压构件，若腹板及翼缘 的板件太宽太薄，当轴

9、压力达到 某一数值时，板件就可能在构件 丧失强度和整体稳定之前不能维 持平面平衡状态而产生凹凸鼓出 变形，这种现象称为板件失去稳 定，或称板件屈曲。因板件是组 成构件的一部分，故又把这种屈 曲现象称为构件失去局部稳定或 局部屈曲。 （2）轴心受压构件的局部稳定验算 实腹式轴心受压构件局部屈曲 保证局部稳定的重要性：丧失局部稳定的 构件还能继续承受荷载，但由于鼓屈部分退 出工作，使构件应力分布恶化，会降低构件 的承载力，导致构件提早破坏。 钢结构规范规定，受压构件中板件的 局部稳定以板件屈曲不先于构件的整体失稳 为条件，并以限制板件的宽厚比来加以控制 。 对于轧制型钢，由于翼缘、腹板较厚，一 般

10、都能满足局部稳定要求，无需计算。 以工字形截面为例，钢结构设计规范 规定： 1)翼缘 由于翼缘板悬伸部分的宽厚比b/t与 长细比的关系曲线的关系式较为复杂，为了便 于应用，采用下列简单的直线式表达： 式中， 为构件两方向长细比的较大值 。 当 时, 取 , 当 时,取 . 2) 腹板 腹板可视为四边支承板，这种嵌固作用可使 腹板的临界应力提高，经简化可得腹板高厚比 的 简化表达式为： (3-11） 当工字形截面的腹板高厚比 不满足式 （3-11）的要求时，除了加厚腹板（此法不一定经济） 外，还可采用有效截面的概念进行计算。 当腹板高厚比不满足要求时，亦可在腹板中 部设置纵向加劲肋，用纵向加劲肋

11、加强后的腹板仍按式 （3-11）计算， 5. 轴心受压柱的设计 (1) 截面形式:实腹式轴性受压柱一般采用 双轴对称截面，以避免弯扭失稳。 选择轴心受压实腹柱的截面时，应考虑以 下几个原则： 1) 面积的分布应尽量开展，以增加截面的 惯性矩和回转半径，提高柱的整体稳定性和刚 度； 2) 使两个主轴方向等稳定性，以达到经济 的效果； 3) 便于与其他构件进行连接； 4) 尽可能构造简单，制造省工，取材方便 。 (2) 截面设计 截面设计时，首先按上述原 则选定合适的截面形式，再初步选择截面尺寸 ，然后进行强度、刚度、整体稳定、局部稳定 等的验算。 具体步骤如下： v假定柱的长细比 ，求出需要的截

12、面积 。 2) 求两个主轴所需要的回转半径 3) 由已知截面面积 、两个主轴的回转 半径 、 优先选用轧制型钢，如普通工字钢 、H型钢等。 4)由所需要的 、 、 等，再考虑构造 要求、局部稳定以及钢材规格等，确定截面的 初步尺寸。 (3)构件强度、刚度和稳定性验算 1)当截面有削弱时，需进行强度验算。 式中 构件的净截面面积。 2)刚度验算。轴心受压实腹柱的长细比应 符合规范所规定的容许长细比要求。 3)整体稳定验算 4)局部稳定验算。轴心受压构件的局部稳 定是以限制其组成板件的宽厚比来保证。对于 热轧型钢截面，由于其板件的宽厚比较小，一 般能满足要求，可不验算。对于组合截面，则 应根据规定

13、对板件的宽厚比进行验算。 (6) 格构式轴心受压柱 为提高轴心受压 构件的承载能力，应在不增加材料用量的前提 下，尽可能增大截面的惯性矩，并使两个主轴 方向的惯性矩相同，即令x轴与y轴具有相等的 稳定性。格构式受压构件就是把肢杆布置在距 截面形心一定距离的位置上，通过调整肢间距 离以使两个方向具有相同的稳定性。 格构式构件制造复杂，由于柱肢只宜采用 型钢（或钢管），所以其承载能力及应用也受到一 定的限制。 格构式轴心受压柱对实轴的稳定计算与 实腹柱完全相同，因为它相当于两个并列的实腹柱 。但格构柱虚轴的稳定性却比具有同样长细比的实 腹柱稳定性小。 课题2 受弯构件 1. 受弯构件的形式和应用

14、建筑结构中，承受横向荷载的构件称为受 弯构件，其形式有实腹式和格构式两个系列。 (1)实腹式受弯构件梁 钢梁按制作方 法的不同可以分为型钢梁和组合梁两大类。 型钢梁又分为热轧型钢梁和冷轧薄壁型钢 梁。型钢梁构造简单，制造省工，成本较低，因而 应优先采用。热轧型钢梁的截面有热轧工字钢、槽 钢和热轧H型钢三种。 当所受荷载较小、跨度不大时某些受 弯构件（如檩条）可采用冷弯薄壁C型钢或Z形 钢做梁，可以有效地节约钢材，如檩条和墙梁 等，但防腐要求较高。 当荷载和跨度较大时，型钢梁受到尺 寸和规格的限制，往往不能满足承载力和刚度 的要求，此时应采用组合梁。按其连接方法和 使用材料的不同，组合梁可以分为

15、焊接组合梁 （简称为焊接梁）、铆接组合梁（简称为铆接 梁）、异种钢组合梁和钢与混凝土组合梁等几 种。 根据梁的支承情况，钢梁可做成简支梁、连 续梁、悬伸梁等。 根据荷载受力情况，梁又分为仅在一个主 平面内受弯的单向受弯梁和在两个主平面内受弯的 双向受弯梁。双向弯曲梁也称为斜弯曲梁。 钢结构中，除少数情况如吊车梁、起重机 大梁或上承式铁路板梁桥等可单根或两根梁成对布 置外，通常采用纵横交叉的主、次梁组成梁格，再 在梁格上铺设面板，形成结构的承重体系。 根据主梁和次梁的排列情况，梁格可分为三种类型： 1）单向梁只有主梁，适用于的跨度较小或面板宽度较 大的楼盖或平台结构。 2）双向梁格有主梁及一个方

16、向的次梁，次梁由主梁支 承，并将板划分为较小区格，减小了面板的跨度和厚度，使 梁格更为经济，是最为常用的梁格类型。 3）复式梁格在主梁间设纵向次梁，纵向次梁间再设与 主梁平行的横向次梁，以减小面板的支承跨度和厚度，使梁 格更为经济。 (2)格构式受弯构件桁架 格构式受弯构件 又称为桁架，与梁相比，其特点是以弦杆代替翼缘 ，以腹杆代替腹板，而在各节点将腹杆与弦杆连接 。 钢桁架的结构类型有： 1)简支梁式:简支梁式钢桁架受力明确，杆件内 力不受支座沉陷的影响，施工方便。 2)钢架横梁式:钢架横梁式的桁架端部上下弦与 钢柱相连组成单跨或多跨刚架，可提高其水平刚度 ，常用于单层厂房结构； 3)连续式:连续式钢桁架跨越较大的桥架常 用多跨连续的桁架，可增加刚度并节约材料； 4)伸臂式:伸臂式钢桁架既有连续式节约材 料的优点，又有静定桁架不受支座沉陷的影响的优 点，只是铰接处的