4-轴心受力构件

NN4.1轴心受力构件的应用及截面形式4.2轴心受力构件的强度和刚度4.3轴心受压构件的整体稳定4.4实腹式轴心受压构件的局部稳定4.5实腹式轴心受压构件设计4.7轴压柱柱头与柱脚的构造与计算4轴心受力构件(1)轴心受力构件的应用++++++++++++4.1应用及截面形式轴压构件破坏形式刚度破坏强度破坏整体失稳局部失稳正常使用极限状态刚度破坏强度破坏轴拉构件破坏形式承载能力极限状态4.1应用及截面形式(2)截面形式（a）（b）（c）型钢截面实腹式组合截面格构式组合截面(1)轴心受力构件的强度对截面无削弱的构件，其承载力的极限状态应控制其毛截面的平均应力不超过材料屈服强度，即：yRfNfA对截面有局部削弱的构件，应控制构件净截面上的平均应力不超过材料抗拉强度。unuRfNfA4.2轴心受力构件的强度及刚度为简化计算，方便使用，按偏安全的原则，对轴心受力构件，强度计算式统一为：nNfA式中N——轴向力设计值；An——构件净截面面积；f——钢材抗拉或抗压强度设计值。4.2.1轴心受力构件的强度4.2轴心受力构件的强度及刚度4.2.1轴心受力构件的强度4.2轴心受力构件的强度及刚度0.7unNfANfA毛截面屈服：净截面断裂：正常使用极限状态要求轴心受拉构件和轴心受压构件应具有一定的刚度，式中lmax——构件最不利方向的计算长细比；l0——构件相应方向的计算长度；i——构件截面相应方向的回转半径；[l]——受拉构件或受压构件的容许长细比，按表4.1和4.2取值。0maxlill4.2.2轴心受力构件的刚度4.2轴心受力构件的强度及刚度为什么？4.2.2轴心受力构件的刚度4.2轴心受力构件的强度及刚度注意：构件在两方向上计算长度可能不同！xyyx4.2.2轴心受力构件的刚度4.2轴心受力构件的强度及刚度0xxxlil0yyylill0yl0yl0xmaxmax(,)xyllll轴心受压构件受力后的破坏方式主要有两类：•短而粗的受压构件主要是强度破坏。当其某一截面上的平均应力到达某控制应力如屈服点，就认为构件已到达承载能力极限状态。•长而细的轴心受压构件主要是失去整体稳定性而破坏。4.3轴压构件的整体稳定4.3.1稳定问题概述4.3.2理想轴压杆及其屈曲形式4.3.3轴压杆整体稳定临界力4.3.4初始缺陷对轴压杆稳定性的影响4.3.5实际轴压杆整体稳定计算4.3轴压构件的整体稳定4.4实腹式轴压构件的局部稳定ABCDEFGABCDEFPQb1轴心受压构件的局部失稳腹板失稳翼缘失稳与构件的整体失稳不同，构件丧失了局部稳定性后，还可以继续维持构件的整体平衡，但会降低构件的整体稳定性，影响构件的承载力。钢构件的局部失稳大多属于矩形薄板失稳。4.4实腹式轴压构件的局部稳定与构件的整体失稳不同，构件丧失了局部稳定性后，还可以继续维持构件的整体平衡，但会降低构件的整体稳定性，影响构件的承载力。钢构件的局部失稳大多属于矩形薄板失稳。外伸翼缘宽厚比：y1235)1.010(ftbl腹板高厚比yw0235)5.025(fthlλ——构件两方向长细比的较大值，当λ30时，取λ＝30；当λ100时，取λ＝100。b'twtth0twb'(a)(b)(c)btwwt0th0th0tb14.4实腹式轴压构件的局部稳定1）工字型截面腹板：热轧剖分T形钢焊接T形钢y1235)1.010(ftbl0y235(130.17)whtfl0y235(150.2)whtflb'twtth0twb'(a)(b)(c)btwwt0th0th0tb1翼缘：00y23540whbttf或4.4实腹式轴压构件的局部稳定2）T型截面3）箱型截面对轴心受压钢管柱，也有局部屈曲问题,《钢结构设计规范》（50017－2003）中规定钢管外径D与壁厚t之比满足下式：y235100ftDwth0bzbsztst03≤a横向纵向h加劲肋加劲肋4.4实腹式轴压构件的局部稳定4）钢管截面当板件宽（高）厚比不满足要求时，可调整截面尺寸或设置加劲肋使其满足局部稳定。1）等稳定性原则；2）宽肢薄壁；3）制造省工；4）连接方便。4.5实腹式轴压构件设计(1)设计原则1)计算所需的截面面积假定长细比λ≈50～100（N大取小值，反之）。根据所选压杆截面类型查fx，fy；计算所需截面面积fNAmin4.5实腹式轴压构件设计(2)截面设计计算截面所需的回转半径:l/x0xlil/y0yli若用型钢，可根据所需的A、ix、iy值，直接在型钢表中选择对应参数相近的、合适的型钢。若用组合截面，应根据各种截面回转半径与截面轮廓尺寸的近似关系（附录5），计算所需的近似轮廓尺寸：1x/ih2y/ib再由局部稳定条件确定t；由面积确定A=2bt+h0tw。2)截面选取4.5实腹式轴压构件设计(2)截面设计整体稳定性验算:须同时考虑两个主轴方向，但一般可取其中长细比较大值进行，A为毛截面面积。局部稳定验算:对于各种焊接组合截面。而对于各种规格的型钢，均已满足局部稳定条件，不需再进行局部稳定验算。强度验算:一般截面有削弱时进行。刚度验算:一般应按两个主轴方向进行。3)截面验算4.5实腹式轴压构件设计(2)截面设计2)当h0/tw≥80时，在运输和安装过程中可能产生扭转变形。为此，常在腹板两侧上下翼缘间，垂直于腹板对称设置加劲肋，称为横向加劲肋：bs≥(h0/30)+40mm,ts≥bs/15。3)实腹式轴心受压柱的纵向焊缝可按构造要求确定焊缝尺寸。1)常沿腹板腰部两侧对称设置沿轴向的加劲肋，称为纵向加劲肋：tz≥0.75tw,bz≥10tw。wth0bzbsztst03≤a横向纵向h加劲肋加劲肋4)构造要求4.5实腹式轴压构件设计(2)截面设计yXyXXyy1)设计原则设计时应遵循如下基本原则：传力准确可靠；便于制作与安装；经济合理。2)梁与柱的铰接连接轴心受压柱只承受梁端传来的轴心压力，因此其连接形式为铰接；同时根据梁与柱的不同位置，铰接连接又分为支承于柱顶和柱侧两种。4.6轴压柱柱头与柱脚设计(1)柱头柱脚是将柱身荷载传给基础的部分，根据所需传递的荷载情况以及基础的连接形式，将其分为铰接柱脚和刚接柱脚两种，一般情况下，轴心受压柱多用铰接柱脚，而偏心受压柱（框梁柱）多用刚接柱脚。形式与构造在柱脚端增加靴梁、隔板、肋板等传力零件，可增强柱脚刚度和传力焊缝的长度，同时将底板分成了多格，减小了底板的反力弯矩，从而可使底板更薄一些。4.6轴压柱柱头与柱脚设计(2)柱脚板式铰接柱脚底板(b)(a)靴梁膈板a1cttca4.6轴压柱柱头与柱脚设计(2)柱脚底板抗剪键靴梁垫板靴梁靴梁肋板(c)(d)b1a1（柱脚组装动画）4.6轴压柱柱头与柱脚设计(2)柱脚靴梁铰接基础底板传力路线XYN焊缝柱底板靴梁传力路线焊缝1柱基础冼平焊缝2锚栓锚栓焊缝3柱脚肋板b1靴梁铰接底板靴梁传力路线焊缝1柱基础焊缝2锚栓肋板焊缝4焊缝5焊缝3柱脚铰接靴梁隔板底板隔板锚栓柱底板靴梁传力路线焊缝1柱基础焊缝2锚栓隔板焊缝4焊缝5焊缝3柱脚铰接底板柱带靴梁平板式柱脚设计平面尺寸确定——由基础材料抗压强度确定LA/B0cNALBAf1122Batccct1t1a1t底板设计铰接带靴梁平板式柱脚设计厚度确定——由底板抗弯强度确定0/qNAA4312423121max,,0.5MMMMMqaMqaMqc6Mtf柱cct1t1a1tNLaq底板设计铰接带靴梁平板式柱脚设计竖向焊缝计算——确定靴梁高度1/2qqB1240.7fwffNlhhfcct1t1a1tN/0.71.2wffwfhNlft且Ll1水平焊缝计算柱ab1强度验算q1——双悬臂简支梁11122111/0.56/VqbVtlMqbMtl靴梁设计底板设计t1tl2柱NLab1q2铰接带靴梁平板式柱脚设计内力计算——简支梁21(/2)qqab21240.7fwffVlhchfcct1a12/0.71.2wffwfhVlft且竖向焊缝计算强度验算221210.5,/8VqaMqa水平焊缝计算——同靴梁靴梁设计隔板设计底板设计铰接带靴梁平板式柱脚设计c=(3~4)dt1≈t柱d=20~30mmd0=(1.5~2.5)dt≥14mmt:20~40mmt1:10~16mmct1ct1a1t2≥10mmt2≥a1/50t2L≤2BB构造要求靴梁设计隔板设计底板设计梁梁柱柱顶板构造螺栓构造螺栓梁支承与柱顶连接VV平放式1）梁支承于柱顶的铰接连接柱顶板柱梁梁突缘填板填板垫板加劲肋12梁支承与柱顶连接构造螺栓梁加劲肋突缘式加劲肋焊缝焊缝2柱顶板垫板焊缝1柱传力路线VV突缘式1）梁支承于柱顶的铰接连接受力分析N/2l/2l焊缝1：轴力焊缝2：剪力弯矩焊缝1焊缝2N/2N/222NV12NN24NlM突缘式1）梁支承于柱顶的铰接连接节点验算受力分析N/2l/2l焊缝1焊缝2N/2N/2焊缝1：验算强度焊缝2：验算强度11/220.7wffffwNfhl22()fwffff22/220.7ffwNhl222/420.7/6fffwNlhl突缘式1）梁支承于柱顶的铰接连接构造要求受力分析节点验算突缘式柱顶板尺寸确定15-20mm15-20mmt≥14mm，一般取16-20mm1）梁支承于柱顶的铰接连接2）梁支承于柱侧的铰接连接（a）铰接（c）（b）梁柱角钢螺栓1螺栓2全栓连接栓焊连接传力路线11222梁柱钢板焊缝1螺栓21VVV钢板Re牛腿Re铰接梁柱承托刨平顶紧焊缝钢板牛腿焊缝焊缝VV传力路线2）梁支承于柱侧的铰接连接实例梁与柱铰接连接梁腹板传递竖向剪力N较小，直线平衡状态。N渐增，有干扰力使构件微弯，当干扰力移去后，构件仍保持微弯状态而不能恢复到原来直线平衡状态。N再稍微增加，弯曲变形迅速增大构件丧失承载能力，称为整体失稳。zyyzCANNBl屈曲微弯状态4.3.1稳定问题概述(1)构件失稳描述1)稳定——指结构或构件受荷变形后，所处的平衡状态的属性。构件丧失稳定指构件在外荷作用下，在丧失强度之前，从稳定的平衡状态经过临界状态，进入不稳定平衡状态，称为丧失稳定。2)极限（临界）荷载Ncr——结构临界状态下所承受的最大荷载。3)临界应力σcr——结构临界状态下相应的截面上的应力，一般crfy。(2)基本概念4.3.1稳定问题概述强度是研究一个点的应力或一个截面的内力极限值，稳定研究构件或结构受荷后平衡状态的属性及相应的临界荷载；强度按净截面计算，稳定按毛截面计算；弹性阶段采用高强度钢材可提高强度承载力，不提高稳定承载力；强度问题采用一阶分析方法，与结构变形无关，稳定问题采用二阶分析方法，与结构变形有关；(3)强度与稳定问题的区别4.3.1稳定问题概述理想轴心受压杆件满足以下假设：1）杆件为等截面理想直杆；2）压力作用线与杆件形心轴重合；3）无初始应力影响；4）材料为均质、各向同性且无限弹性，符合虎克定律4.3.2理想轴压杆及其屈曲形式(1)理想轴压杆NNN112332V1-12-23-3(a)(b)(c)φV弯曲失稳扭转失稳弯扭失稳4.3.2理想轴压杆及其屈曲形式(2)理想轴压杆的屈曲形式①弹性弯曲屈曲——欧拉公式zyNl0Ny12yzzyNyN-EIY''两端铰支的轴心压杆临界状态220dyEINydz根据欧拉（Euler）理论，理想压杆的弹性微分方程为：4.3.3轴压杆整体稳定临界力(1)理想轴心受压构件弯曲屈曲时的临界力222222/(/)crEIEANEAllil22lEANcrcr临界力：临界应力：注1：弹性阶段采用高强度钢材不提高稳定承载力；4.3.3轴压杆整体稳定临界力(1)理想轴心受压构件弯曲屈曲时的临界力①弹性弯曲屈曲——欧拉公式NNN112332V