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1、钢结构基本构件的计算及构造 钢结构基本构件的计算及构造 4 1轴心受力构件4 2钢梁4 3拉弯和压弯构件4 4钢屋盖 4 1轴心受力构件 概述4 1 1 常用截面形式心受力构件的截面形式有三种 第一种是热轧型钢截面 如工字钢 H型钢 槽钢 角钢 T型钢 圆钢 圆管 方管等 第二种是冷弯薄壁型钢截面 冷弯角钢 槽钢和冷弯方管等 第三种是用型钢和钢板或钢板和钢板连接而成的组合截面 如实腹式组合截面和格构式组合截面等 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 应用 主要承重钢结构 工业建筑的平台和其他结构的支柱
2、各种支撑 4 1 2 设计内容轴压构件强度 应力计算刚度 长细比整体稳定局部稳定 4 1 3轴心受力构件的类型实腹式格构式 4 1 4实腹式轴心受力构件的计算 强度轴心受力构件的强度应以净截面的平均应力不超过钢材的屈服强度为准则 刚度 刚度通过限制构件的长细比 来实现 L0构件的计算长度 I构件截面的回转半径 截面设计时应遵循的原则1 尽量使截面面积远离主轴线 以提高整体稳定性和刚度2 等稳定原则 3 便于和其它构件连接 4 1 5实腹式轴心受力构件的整体稳定性 整体稳定 当截面应力达到临界应力时 压杆不能维持直线平衡 而发生弯曲 并维持曲线平衡的状态 实际的压杆不可避免地存在着初弯曲 荷载作
3、用点的初偏心和截面的残余应力 它们对压杆的承载力有不利的影响 同时 构件两端可能存在着不同程度的约束 使得构件的承载力有所提高 对于杆端约束 可以用计算长度l0代替构件的几何长度l 将其等效为两端简支的构件 即l0 l 称计算长度系数 典型约束 的理论值和建议值见表4 3 对于初弯曲 初偏心和残余应力的影响 考虑到材料的弹塑性性能 用数值积分法求得构件的极限强度Nu 相应的稳定系数 Nu Afy 按照概率统计理论 影响柱承载力的几个不利因素 其最大值同时出现的可能性是极小的 理论分析表明 考虑初弯曲和残余应力两个最主要的不利因素比较合理 初偏心不必另行考虑 初弯曲的矢高取构件长度的千分之一 残
4、余应力根据截面的加工条件确定 轴心受压构件应按下式计算整体稳定 Fd E GB50017的柱曲线 整体失稳三种形式 弯曲屈曲 扭转屈曲 弯扭屈曲 4 1 6实腹式轴心受压构件的局部稳定 对于局部屈曲问题 通常有两种考虑方法 一是不允许板件屈曲先于构件整体屈曲 目前一般钢结构的规定就是不允许局部屈曲先于整体屈曲来限制板件宽厚比 另一种做法是允许板件先于整体屈曲 采用有效截面的概念来考虑局部屈曲对构件承载力的不利影响 冷弯薄壁型钢结构 轻型门式刚架结构的腹板就是这样考虑的 这里板件宽厚比的规定是基于局部屈曲不先于整体屈曲考虑的 根据板件的临界应力和构件的临界应力相等的原则即可确定板件的宽厚比 经分
5、析并简化可得到工形截面和H形截面的板件的宽厚比 P81 轴心受压构件翼缘的凸曲现象 轴心受压柱局部屈曲变形 4 1 7实腹式轴心受压构件的构造 1 实腹式轴心受压构件的截面选择 1 截面形式确定轴心受压实腹柱的截面形式时 应考虑以下几个原则 面积的分布应适当远离轴线 以增加截面的惯性矩和回转半径 在保证局部稳定的条件下 提高柱的整体稳定性和刚度 在两个主轴方向的长细比应尽可能接近 即 x y 以达到经济效果 便于与其他构件连接 构造简便 制造省工 选用能够供应的钢材规格等等 轴心受压实腹柱宜采用双轴对称截面 不对称截面的轴心压杆会发生弯扭失稳 往往不很经济 轴心受压实腹柱常用的截面形式有工字形
6、 管形 箱形等 其优缺点见下表 2 构造当实腹柱的腹板计算高度h0与tw厚度之比大于80时 应设置成对的横向加劲肋 横向加劲肋的作用是防止腹板在施工和运输过程中发生变形 并可提高柱的抗扭刚度 横向加劲肋的间距不得大于3h0 外伸宽度bs不小于h0 30 40cm 厚度tw应不小于bs 15 当实腹柱的腹板因宽厚比大于表6 5的限值而采用纵向加劲肋加强时 纵向加劲肋应成对配置 其一侧外伸宽度不应小于10tw 厚度不应小于0 75tw 除工字形截面外 其余截面的实腹柱应在受有较大水平力处 在运输单元的端部以及其它需要处设置横隔 横隔的中距不得大于柱截面较大宽度的9倍 也不得大于8m 轴心受压实腹柱
7、的纵向焊缝 如工字形截面柱中翼缘与腹板的连接焊缝 受力很小 不必计算 可按构造要求确定焊脚尺寸 GO 4 1 8格构式轴心受压构件的构造 工程上许多柱子压力不大 但很高 为取得较大的稳定承载力 尽可能使截面向外扩展些 这时候就要采用格构柱 1 主要截面形式 2 格构柱的形式 格构柱组成 4 1 9柱脚设计 柱脚功能 将柱子内力可靠地传给基础 和基础有牢固连接 由于混凝土的强度远比钢材低 所以 必须把柱的底部放大 以增加其与基础顶部的接触面积 柱脚按其与基础的连接方式不同 又分为铰接和刚接两种 前者主要承受轴心压力 后者主要用于承受压力和弯矩 a 轴承式铰接柱脚 b c 平板式铰接柱脚 刚接柱脚
8、 柱脚用锚栓固定在基础上 锚栓直径一般为20 25mm 底板上的螺栓孔直径一般为锚栓直径的1 1 1 8倍 垫板上的螺栓孔比螺栓直径大1 2mm 4 2受弯构件 钢梁 4 2 1应用 房屋建筑和桥梁工程 如楼盖梁 工作平台梁 墙架梁 吊车梁 檩条及梁式桥 大跨斜拉桥 悬索桥中的桥面梁等 常用截面形式 热轧型钢梁 工字钢 槽钢 H型钢 冷弯薄壁型钢梁 C型钢 Z型钢组合梁 焊接组合梁 铆接组合梁 钢与混凝土组合梁 4 2 2钢梁的计算 计算内容 强度抗弯强度抗剪强度局部承压强度刚度稳定 强度 一 正应力梁在弯矩作用下 假定钢材为理想弹塑性体 截面正应力的发展过程可以分为三个阶段弹性阶段弹塑性阶段
9、塑性阶段 若钢材有硬化阶段则梁受弯也有应变硬化阶段 规范中的实腹梁抗弯塑性强度计算公式1 在Mx作用下2 在Mx My作用下 塑性变形计算方法的限制条件 a 梁仅受静载和间接动载 b 能充分保证梁不发生整体失稳 c 受压翼缘不发生局部失稳 二 受弯构件抗剪强度 I 毛截面惯性矩tw 计算剪应力处的截面宽度s 计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩 三 受弯构件局部承压强度当梁上翼缘受集中荷载且该荷载处又未设支承加劲肋时 应验算腹板边缘处局部承压强度 刚度 按正常使用荷载引起的最大挠度v来衡量 梁的整体稳定 一 梁整体稳定的设计原理当梁上荷载不大时 仅在垂直方向有位移 当荷载加到一定值时 梁有侧
10、向位移产生并伴随扭转 梁从平面弯曲状态转变为弯曲扭转屈曲状态的现象称为整体失稳 也称弯扭失稳 梁丧失整体稳定现象 影响梁整体稳定的主要因素1 截面刚度侧向抗弯刚度EIy 抗扭刚度EIt 抗翘曲刚度EIw越大 则Mcr越大 2 计算长度减少受压翼缘的自由长度l1 可提高Mcr 3 荷载性质梁受纯弯曲时 弯矩图为矩形 跨中截面M达Mcr 附近截面对它的约束减小 Mcr最小 当跨中点受集中荷载作用 梁弯矩变化大 约束作用大 Mcr最大 4 荷载位置荷载作用于上翼缘 梁发生扭转 作用荷载会加剧扭转发展 而作用于下翼缘时 则有减缓截面扭转作用 5 加强上翼缘刚度 对梁的整体稳定有利6 支承情况梁支承对位
11、移的约束程度越大 则临界弯矩越大 1 凡符合下列情况之一 可不计算梁的整体稳定1 有铺板 砼板 钢板 密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连 能阻止梁受压翼缘侧向位移 2 H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b1之比不超过下表所规定的数值时 型钢梁的设计 型钢梁的设计需进行强度 刚度和整体稳定性计算 因腹板 翼缘宽厚比较小 局部稳定可保证 不必计算单向弯曲型钢梁的设计步骤 1 计算梁内力按荷载设计值计算Mx V2 计算需要的Wnx3 按Wnx初选型钢梁截面 查型钢表 组合梁截面 因弯矩沿梁长是变化的 为节约钢材 可将截面沿长度改变 既可改变梁高 也可改变梁宽 缺点 梁不仅承受弯矩
12、 同时还有剪力 曲线形状费工 不能有效使用钢板 常有形状 鱼腹式梁1 改变梁高 b不变 2 改变梁翼缘宽度 h不变 3 组合钢梁的构造P97 梁的局部稳定性 一 翼缘板的局部稳定性 4 2 3加劲肋 梁腹板常设计得高而薄 为提高其局部屈曲荷载 常采用加劲肋予以加强 如图 在焊接梁的设计过程中 翼缘板的局部稳定常采用限制宽厚比的方法来保证 而腹板的局部稳定则常采用配置加劲肋的方法来解决 1 腹板加劲肋的设置 2 腹板加劲肋的构造要求加劲肋宜在腹板两侧成对配置 图5b d 也允许单侧配置 图c e 但支承加劲肋和重级工作制吊车梁的加劲肋必须两侧成对配置 加劲肋可以用钢板或型钢制作 图d e 焊接梁
13、一般常用钢板 1 加劲肋种类间隔加劲肋 提高腹板局部稳定支承加劲肋 除上述作用外尚传递集中力 2 横向加劲肋间距 3 纵向加劲肋h1 hc 2 5 2 在同时用横向和纵向加劲肋加强的腹板中 应在二者相交处将纵肋断开 横肋保持连续 这时横向加劲肋兼起纵向加劲肋 为了减少焊接应力 横向加劲肋的端部应切去宽约 但不大于40mm 高约 但不大于60mm 的斜角 图5 7 3 以使梁的翼缘焊缝连续通过 在纵向加劲肋与横向加劲肋相交处 应将纵向加劲肋两端切去相应的斜角 使横向加劲肋与腹板连接的焊缝连续通过 4 支承加劲肋 4 3拉弯和压弯构件 拉弯和压弯构件截面形式 4 3 1拉弯和压弯构件的应用及其破坏
14、形式 一 拉弯构件1 应用较少 如有节间荷载的钢屋架下弦杆2 破坏形式 因抗拉强度不足而破坏 即截面出现塑性铰 二 压弯构件1 应用 厂房的排架柱 多高层建筑的框架柱 有节间荷载作用的屋架上弦杆 海洋平台的立柱 2 破坏形式 1 强度破坏 即截面出现塑性铰 2 平面内弯曲失稳破坏3 平面外弯扭失稳4 局部失稳5 刚度 3 压弯构件在弯矩作用平面内的失稳现象对构件侧向有足够支承的压弯构件 在轴线压力N和弯矩M的共同作用下 可能在弯矩作用平面内发生整体的弯曲失稳 4 3 2压弯构件的计算长度 1 弦杆和单系腹杆的计算长度计算长度的概念来源于理想轴心压杆的弹性分析 它把端部有约束的压杆化作等效的两端
15、铰接的杆 拉杆提供的约束比压杆大得多 并且拉力越大 约束作用也越大 反之 承受较大压力的杆件提供的约束几乎微不足道 第二个因素是杆件线刚度的大小 起约束作用杆件的线刚度相对比较大 最后一个因素是和所分析的杆直接刚性相连的杆件作用大 较远的杆件作用小 常常忽略不计 一 桁架中压杆的计算长度 一 桁架中压杆的计算长度1 弦杆和单系腹杆的计算长度 4 3 3格构柱简介 4 3 4钢屋架 4 3 4 1钢屋盖结构的组成和分类组成钢屋盖结构主要由屋面 屋架和支撑三部分组成 有的还设有托架和天窗架等构件 1 屋面 主要由各种屋面板材组成 平铺于屋架上 承受外荷载 2 屋架 主要由各种钢构件组合连接而成 3
16、 支撑 根据支撑设置的部位和所起的作用不同 支撑分为上弦横向支撑 下弦水平支撑 垂直支撑和系杆四种 装配式钢筋混凝土单层厂房结构 4 托架和天窗架屋架的跨度和间距取决于柱网布置 而柱网布置则根据建筑物工艺要求和经济合理等各方面因素而定 天窗的形式有纵向天窗 横向天窗和井式天窗等三种 一般常采用纵向天窗 纵向天窗则需单独设置天窗架 常见的几种天窗架形式 天窗架的形式 分类根据屋面材料和屋面结构布置情况的不同 钢屋盖可分为无檩屋盖和有檩屋盖两种 当屋面材料采用预应力大型屋面板时 屋面荷载可通过大型屋面板直接传给屋架 这种屋盖体系称为无檩屋盖 当屋面材料采用瓦楞铁皮 石棉瓦 波形钢板和钢丝网水泥板等时 屋面荷载要通过檩条传给屋架 这种体系称为有檩屋盖 屋盖结构布置 a 有檩屋盖 b 无檩屋盖 两种屋盖体系各有优缺点 具体设计时应根据建筑物使用要求 结构特性 材料供应情况和施工条件等综合考虑而定 一般中型厂房 特别是重型厂房 由于对横向刚度要求较高 所以宜采用大型屋面板的无檩屋盖 而对于中 小型特别是不需要做保温层的房屋 则宜采用具有轻型屋面材料的有檩屋盖 4 3 4 2钢屋架的形式和尺寸常用
