钢结构-3构件的截面承载能力.ppt
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1、第3章 构件的截面承载力,第3章 构件的截面承载能力-强度,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择3.2 梁的类型及强度3.3 梁的局部压应力和组合应力3.4 按强度选择梁截面3.5 梁的内力重分布和塑性设计3.6 拉弯、压弯构件的应用和强度设计,轴心受力构件的强度梁的强度拉弯、压弯构件的强度,重点内容:,难点:,按强度条件设计构件截面,钢结构的承载能力分为三个层次:1、截面承载能力:构件截面的承载能力取决于材料的强度和应力性质及其在截面上的分布,属于强度问题2、构件承载能力:构件有可能在受力最大截面还未达到强度极限之前因丧失稳定而失去承载能力。稳定承载力取决于构件的整体刚度,因而属于构件承载力
2、3、结构承载能力:整体结构的承载能力也往往和失稳有关。4、局部失稳:钢构件的板件还有可能局部失稳,也不属于个别截面的承载能力问题,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择,轴心受力构件分轴心受拉及受压两类构件,作为一种受力构件,应满足承载能力与正常使用两种极限状态的要求。正常使用极限状态的要求用构件的长细比来控制;承载能力极限状态包括强度、整体稳定、局部稳定三方面的要求。轴心受拉构件:强度控制 轴心受压构件:强度、稳定必须同时满足稳定问题是钢构件的重点问题,所有钢构件都涉及到稳定问题,是钢构件设计的重点与难点。,应用:主要承重结构、平台、支柱、支撑等1.截面形式,3.1.1 轴心受力构件的应用和截
3、面选择,热轧型钢截面,热轧型钢截面,冷弯薄壁型钢截面,冷弯薄壁型钢截面,型钢和钢板的组合截面,实腹式组合截面,格构式组合截面,2、轴心受力构件的应用:主要承重钢结构,轴心受拉构件:桁架拉杆、网架、塔架 轴心受压构件:桁架压杆、工作平台柱、各种结构柱 3、对轴心受力的共同要求是:1 能提供强度所需要的截面积;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,以满足刚度要求。这类构件的截面积往往取决于稳定承载力,整体刚度大则构件的稳定性好,用料比较经济,承载极限:截面平均应力达到fu,但缺少安全储备;毛截面平均应力达fy,结构变形过大,3.1.2 轴心受拉构件的强度,钢材的应力应
4、变关系,计算准则:毛截面平均应力不超过fy,应力集中现象,孔洞处截面应力分布,(a)弹性状态应力(b)极限状态应力,设计准则:净截面平均应力不超过fy,设计公式:,钢材的抗拉强度设计值,!对高强螺栓摩擦型连接,净截面强度验算要考虑孔前传力的影响。,关于净截面面积,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择,第3章构件的截面承载力,3.2.3 轴心受压构件的强度 轴心受压构件的强度原则上和受拉构件没有区别。有孔洞削弱的压杆净截面按上式计算强度。不过一般情况下,轴心受压构件的承载力是由稳定条件决定的。,3.2.4、索的受力性能和强度计算-采用容许应力法 钢索是一种特殊的受拉构件,广泛应用于悬索结构,张拉
5、结构、桅杆纤绳和预应力结构等。悬索作为柔性构件,其内力不仅和荷载作用有关,而且和变形有关,具有很强的几何非线性,需要由二阶分析来计算内力。悬索的内力和位移可按弹性阶段进行计算,通常采用下列基本假定:(1)索是理想柔性的,不能受压,也不能抗弯。(2)索的材料符合虎克定律。,钢索的强度计算,目前国内外均采用容许应力法,按下式进行:,例题1:某轻钢屋架的下弦杆是用Q235钢的圆钢制作的。在杆的中央需用花篮螺丝张紧,杆的轴心拉力为N=90kN。试设计此杆。,解:由 A=N/f=90000/205=439mm2=4.39cm2由附表7可知,直径为27mm的圆钢加工螺纹后,其有效直径只有24.19mm,有
6、效面积A=4.59cm24.39cm2。为了节省钢材,避免整个拉杆都用较粗的钢,可在没有螺纹的范围内采用直径为24mm的圆钢,它的截面积为4.52cm2,比需要的4.41cm2稍大。在中央有螺纹的范围内可焊一段直径为27mm的圆钢或采用局部镊粗的办法解决.,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择,第3章构件的截面承载力,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择,第3章构件的截面承载力,3.1 轴心受力构件的强度及截面选择,第3章构件的截面承载力,例3、图4.1所示一焊接工字形轴心受压柱的截面,承受的轴心压力设计值N=4500kN(包括柱自重),绕X轴的计算长度为7米,绕轴的计算长度为3.5米,翼缘钢
7、板为火焰切割边,每块翼缘板上设有两个直径为24毫米的螺栓孔。钢板为Q235-B钢,验算此柱截面。,3.2 梁的类型和强度,3.2 梁的类型和强度,第3章构件的截面承载力,3.2.1梁的作用与类型梁承受横向荷载的实腹式受弯构件。桁架承受横向荷载的格构式受弯构件。,按功能分为:楼盖梁、平台梁、吊车梁、檩条、墙架梁按制作方法分为:型钢梁、组合梁,1、型钢梁:1)热轧型钢梁:工字钢、槽钢或H型钢,应用最为广泛,成本也较为低廉。2)冷弯薄壁型钢梁:用于受荷较小,跨度不大的梁,可以有效地节省钢材。3)单角钢梁:用于荷载很小的梁。由于型钢梁具有加工方便和成本较低的优点,在结构设计中应该优先采用。2、组合梁:
8、1)焊接组合梁(简称焊接梁)2)铆接组合梁3)钢与混凝土组合梁等。当荷载和跨度较大时,型钢梁受到尺寸湘规格的限制,常不能满足承截能力或刚度的要求,考虑采用组合梁。,梁的承载能力极限状态包括:截面的强度、构件的整体稳定、局部稳定、梁的正常使用极限状态指梁的刚度即挠度1 梁的正应力(1)弹性工作阶段(OA)对需要计算疲劳的梁,常以最外纤维应力到达屈服点作为承载能力的极限状态。冷弯型钢梁因其壁薄,也以截面边缘屈服作为极限状态。,3.2.2梁的弯曲、剪切强度,(2)弹塑性工作阶段(AC)荷载继续增加,梁的两块翼缘板逐渐屈服,随后腹板上下侧也部分屈服。在钢结构设计规范中对一般受弯构件的计算,适当考虑了截
9、面的塑性发展,以截面部分迸入塑性作为承载能力的极限。(3)塑性工作阶段(CD)荷载再增大,梁截面将出现塑性铰。静定梁只有一个截面弯矩最大者,原则上可以将塑性铰弯矩作为承载能力极限状态。但若梁的一个区段同时弯矩最大,则在到达M y之前,梁就已发生过大的变形,从而受到:”因过度变形而不适于继续承载极限状态的制约。超静定梁的塑性设计允许出现若干个塑性铰,直至形成机构。(4)应变硬化阶段(D-)按照图所示的应力-应变关系,钢材进入应变硬化阶段后,变形模量为Et,梁变形增加时,应力将继续有所增加,梁截面上的应力分布将如图所示。在工程设计中,梁强度计算一般不利用这一阶段。,3.2 梁的类型和强度,第3章构
10、件的截面承载力,梁的抗弯强度正应力,实腹梁的截面正应力发展过程分为弹性、弹塑性、塑性和应变硬化四个阶段,塑性阶段会出现过度的变形而不适于继续承载,因此设计中不应用到此阶段。,梁在弹性工作阶段的最大弯矩为:在塑性阶段,产生塑性铰时的最大弯矩为 式中-钢材屈服强度;-梁净截面模量;-梁塑性净截面模量;=S+S S-中和轴以上净截面面积对中和轴的面积矩;S-中和轴以下净截面面积对中和轴的面积矩。,梁的塑性铰弯矩Mp与弹性阶段最大弯矩Me的比值仅与截面几何性质有关,而与材料的强度无关。一般将毛截面的模量比值称为截面的形状系数 F=/,例如:对于矩形截面F=1.5 钢结构设计规范对不需要计算疲劳的受弯构
11、件,允许考虑截面有一定程度的塑性发展,所取截面的塑性发展系数.均较截面的形状系数F为小。,3.2 梁的类型和强度,第3章构件的截面承载力,(1)弹性设计(需验算疲劳的梁、薄壁杆),(2)部分发展塑性设计(一般的梁),允许截面部分发展塑性,塑性发展区高度,3.2 梁的类型和强度,第3章构件的截面承载力,为了避免梁受压翼缘的局部失稳出现在强度破坏之前:,(3)当固端梁和连续梁采用塑性设计时,塑性铰截面的弯矩应满足下式,式中 Wpnx 对x轴的塑性净截面模量;f-钢材的抗弯强度设计值。,(4)冷弯型钢梁的正应力强度按下式计算,3.2 梁的类型和强度,第3章构件的截面承载力,2.梁的抗剪强度剪应力,在
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