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1、18 轴心受力构件,本章重点讲述了轴心受力构件的强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性的计算，阐述了实腹式、格构式柱的设计原理和设计方法以及柱头、柱脚的构造措施等，在学习过程中应重点掌握下列内容： (1) 掌握轴心受力构件强度和刚度的设计准则和计算方法；,本章提要,(2) 了解轴心受力构件弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲的产生条件和弯曲屈曲临界力的确定方法； (3) 掌握轴心受力构件整体稳定的设计原理、计算方法和影响轴心受压构件整体稳定的因素； (4) 掌握实腹式轴心受压构件的设计方法和保证局部稳定的限制措施； (5) 掌握格构柱的截面设计方法和缀件的计算； (6)掌握柱头、柱脚荷载的传递路线，掌握实
2、腹柱、格构柱及柱头、柱脚的构造要求。,本 章 内 容,18.1 轴心受力构件的强度与刚度计算 18.2 轴心受压构件的稳定计算 18.3 实腹式轴心受压构件的截面设计 18.4 格构式轴心受压构件的设计 18.5 轴心受压构件的柱头与柱脚,18.1 轴心受力构件的强度与刚度计算,轴心受力构件只承受通过其截面形心的轴向力，分轴心受拉与轴心受压两种情况。 钢结构中的桁架、网架、塔架、屋盖的支撑体系等杆系结构，一般均假设节点为铰接，若荷载都作用于节点上，则所有的杆件均为轴心拉杆或轴心压杆，其截面形式可分为型钢截面和组合截面，如图18.1(a)所示。,18.1.1 工程中的轴心受力构件及截面形式,在工
3、业建筑中，钢结构的工作平台、栈桥及管道支架的柱，是将上部荷载传给基础的构件，一般按轴心受压设计，称之为轴心受压柱。 柱由柱头(与梁连接部位)、柱身、柱脚(与基础相连接的部位)三个部分组成。 组合截面柱按柱身构造形式可分为实腹式和格构式两种，可见图18.2所示，其截面形式可见图18.1(b)和(c)。,图18.1 轴心受力构件的截面形式,图18.2 实腹柱与格构柱,规范采用了简化计算方法，规定轴心受力构件的强度是以全截面的平均应力达到屈服强度为极限的，当有截面削弱时，应采用净截面。公式如下： =N/Anf 对摩擦型高强度螺栓连接的构件，其强度按式(17.35)和式(17.36)计算。 此外，应注
4、意在设计指标中所说的某些构件与连接以及规范对圆钢、小角钢轻型钢结构所规定的钢材与连接强度设计值的折减系数。,18.1.2 轴心受力构件的强度计算,规范根据长期的实践经验，对轴心受力构件的刚度以容许长细比加以控制，即 =l0/i 其中，受拉或受压构件的容许长细比见表18.1和表18.2。 型钢截面杆件，对不同的形心轴，回转半径不同，可由附录型钢表查出，再由构件在该方向 的计算长度，即可求出最大长细比。 ,18.1.3 轴心受力构件的刚度计算,表18.1 受拉构件的容许长细比,表18.2 构件的容许长细比,18.2 轴心受压构件的稳定计算,轴心受压构件往往当荷载还没有达到按强度计算的极限状态，即平
5、均应力尚低于屈服点时，就会发生屈曲破坏，这就是轴心受压构件失去稳定性的破坏，也叫“失稳”。,18.2.1 轴心受压构件的整体稳定,18.2.1.1 轴心受压构件的稳定极限承载力,(1) 理想轴心受压构件的受力性能 理想轴心受压构件是指杆件本身是绝对直杆，材料匀质、各向同性，无荷载偏心，在荷载作用之前，内部不存在初始应力。 在轴心压力的作用下理想构件可能发生3种形式的屈曲(即构件丧失稳定)。一种是弯曲屈曲，构件的轴心线由直线变成曲线，如图18.4(a)，这时构件绕一个主轴弯曲；一种是扭转屈曲，构件绕纵轴线扭转，如图18.4(b)；还有一种是构件在产生弯曲变形的同时伴有扭转变形的弯扭屈曲，如图18
6、.4(c)。, 理想轴心受压构件的弹性弯曲屈曲 如图18.5所示两端铰支的理想细长压杆，当压力N较小时，杆件只有轴心压缩变形，杆轴保持平直。 材料力学的欧拉公式给出了轴心压杆的临界力和临界应力(临界状态下截面平均应力)公式：, 理想轴心受压杆件的弹塑性弯曲屈曲 当杆件的长细比p时，临界应力超过了材料的比例极限fp，进入弹塑性阶段，欧拉公式不再适用，此时可采用切线模量理论计算临界应力： 理想轴心受压杆件的弹性扭转屈曲和弯扭屈曲 受弯构件在横向荷载作用下会产生弯曲剪应力，对于这类构件截面弯曲剪应力的分布比较复杂，尤其构件翼缘上的剪应力分布与初等材料力学有很大的差别。我们将这些剪应力的合力作用点叫做
7、剪切中心。,(2) 实际轴心受压杆的受力性能 实际的轴心受压杆的屈曲性能受许多因素的影响，主要的因素有截面中的残余应力、杆轴的初弯曲、荷载作用点的初偏心以及杆端的约束条件等。 残余应力是结构受力前，内部就已存在的自相平衡的初应力。它是在钢材轧制、火焰切割、焊接受热、冷弯和矫正变形过程中产生的。 初弯曲是杆件在制作、运输和安装过程中产生的。一般杆件中点的挠度矢高约为杆长的1/5001/2000 。,18.2.1.2 整体稳定的计算公式,根据轴心压杆的稳定极限承载力Nu，考虑抗力分项系数R后，即得规范所给的稳定性计算公式 规范通过对200多种杆件的柱子曲线进行分析，选出最常用的柱子曲线，根据数理统
8、计原理及可靠度分析，将其中数值相近的分别归并成为a、b、c、d 4条曲线，如图18.6所示。这4条曲线各代表一组截面，如表18.3和表18.4。,表18.3主要根据截面形式、对截面哪一个主轴屈曲、钢材边缘加工方法、组成截面板材厚度这4个因素将截面分为4类 。 由图18.6及表18.3和表18.4可知，轴心受压构件整体稳定系数与3个因素有关：构件截面种类、钢材品种和构件长细比。 对于杆件长细比的计算应按规范的有关规定进行。,图18.4 轴心受压杆件的屈曲形式,(a) 弯曲屈曲；(b) 扭转屈曲；(c) 弯扭屈曲,图18.5,图18.6 柱子曲线,表18.3 轴心受压构件的截面分类(板厚t40mm
9、),表18.4 轴心受压构件的截面分类(板厚t40mm),构件受压时，组成构件的板件达到失去维持稳定平衡的状态，出现翘曲或鼓曲的现象叫做局部失稳。 因此规范规定，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屈曲为条件，并以限制板件的宽厚比来加以控制。 (1) 翼缘自由外伸宽厚比的限值,18.2.2 实腹式轴心受压构件的局部稳定,(2) 腹板高厚比的限值(见图18.7) 对于工字形及H形截面 对于箱形截面,对于T形截面 腹板宽(高)厚比的限值为： 热轧部分T形钢 焊接T形钢 ,图18.7 工字形、T形、箱形截面板件尺寸,实腹柱腹板高厚比h0/tw80时，应采用横向加劲肋加强抗扭刚度。横向加
10、劲肋的间距不小于3h0，外伸宽度bs不小于h0/30+40mm，厚度ts应不小于bs/15。 大型实腹柱，在受有较大水平力处的运送单元的端部应设横隔(加宽的横向加劲肋)。横隔的间距不得大于柱截面较大外廓尺寸的9倍或8m。实腹式轴压柱板件间的焊缝，如翼缘与腹板间的纵向焊缝，只承受很小的剪力，焊脚尺寸可按构造取。,18.3.3 构造规定,18.4 格构式轴心受压构件的设计,格构式轴心受压构件的截面形式如图18.10所示，一般多采用双轴对称截面，以两根槽钢或工字钢作为肢件的双肢柱应用较多。 双肢格构柱又分缀板式和缀条式两种，缀板和缀条分别为连接两个肢件的钢板和角钢。,图18.10 双肢格构柱,双肢格构柱的两个对称轴，垂直于腹板的y轴叫做实轴，平行于腹板的x轴叫做虚轴。 轴心受力构件在轴力作用下产生侧向变形，因而有剪力产生。建筑力学讲过，如考虑剪力影响则欧拉临界应力为：,18.4.1 轴心受压格构柱的整体稳定,(1) 对于双肢缀条柱 (2) 对于双肢缀板柱,
