第四章轴心受力构件1

第四章轴心受力构件

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轴心受力构件的应用和截面形式轴心受力构件的强度和刚度轴心受压构件整体稳定的计算轴心受压构件局部稳定实腹式轴心受压构件的截面设计格构式轴心受压构件的截面设计

第四章

轴心受力构件

§4.1轴心受力构件的应用及截面形式4.1.1轴心受力构件的应用

【定义】轴心受力构件是指承受通过截面形心轴线的轴向力作用的构件。包括轴心受拉构件 (轴心拉杆)和轴心受压构件(轴心压杆)。

【应用】在钢结构中应用广泛，如桁架、网架中的杆件，工业厂房及高层钢结构的支撑，操作平台和其它结构的支柱等。b) a)++++++++++

图4.1.1轴心受压构件的应用

++

柱头

柱头

缀板缀条

l=l

l l

图4.1.2柱的形式

柱身

柱身

柱脚

柱脚

x y x y y

1

x

(虚轴 )

1 y

x

(虚轴 )

y(实轴 )

y(实轴 )

1

x

柱——支承屋盖、楼盖或工作平台的竖向受压构件。【组成】柱由柱头、柱身和柱脚三部分组成。【传力方式】上部结构-柱头-柱身-柱脚-基础【分类】实腹式构件和格构式构件实腹式构件具有整体连通的截面。格构式构件一般由两个或多个分肢用缀件联系组成。采用较多的是两分肢格构式构件。

柱头

◆格构式构件缀板缀条

实轴——格构式构件截面中，通过分肢腹板的主轴。虚轴——通过分肢缀件的主轴。【缀条和缀板】★一般设置在分肢翼缘两侧平面内，其作用是将各分肢连成整体，使其共同受力，并承受绕虚轴弯曲时产生的剪力。

柱身

柱脚

l=l

l l

★缀条用斜杆组成或斜杆与横杆共同组1 y 1 x 1 x (虚轴) y(实轴)

1 y

x (虚轴) y(实轴)

成，它们与分肢翼缘组成桁架体系；缀板常用钢板，与分肢翼缘组成刚架体系。图4.1.2柱的形式

x

4.1.2轴心受力构件的截面形式实腹式截面格构式截面

a)型钢截面； b)实腹式组合截面；c)格构式组合截面图4.1.3轴心受力构件的截面形式

截面形式比较说明：实腹式构件比格构式构件构造简单，制造方便，整体受力和抗剪性能好，但截面尺寸较大时钢材用量较多；而格构式构件容易实现两主轴方向的等稳定性，刚度较大，抗扭性能较好，用料较省。

轴心受力构件的设计轴心受力构件

轴心受拉构件

轴心受压构件

强度

刚度

强度

稳定

刚度

承载能力极限状态

正常使用极限状态

§4.2轴心受力构件的强度和刚度4.2.1轴心受力构件的强度计算

计算准则:轴心受力构件截面上的平均应力达到钢材的屈服强度。 1.截面无削弱构件以全截面平均应力达到屈服强度为强度极限状态。设计时，作用在轴心受力构件

中的外力N应满足：

N≤ fσ= A

(4.2.1)

N——轴心力设计值； A——构件的毛截面面积； f——钢材抗拉或抗压强度设计值。

2.有孔洞等削弱◎弹性阶段-应力分布不均匀；◎极限状态-净截面上的应力为均匀屈服应力。N N N N

σ0

σ= N/ An≤ fσ max=3σ 0

fy (5.2.2) (b)极限状态应力

(a)弹性状态应力

图4.2.1截面削弱处的应力分布

构件以净截面的平均应力达到屈服强度为强度极限状态。设计时应满足： Nσ=≤ f (4.2.2) An面面积 An——构件的净截

注1:轴心受力构件采用螺栓连接时最危险净截面的计算螺栓并列布置按最危险的正交截面(Ⅰ-Ⅰ)计算： 1t1 t

An1= ( b n1 d 0 ) t

Nb1

b

N

1螺栓错列布置可能沿正交截面(I-I)破坏，也可能沿齿状截面(Ⅱ-Ⅱ)破坏，取截面的较小面积计算：1Ⅱ2 An= 2c4+ ( n2 1) c12+ c2 n2 d0 t;

t1

t

Nc4 c1 b c3 c2Ⅱ

N

1

对于高强螺栓的摩擦型连接，可以认为连接传力所依靠的摩擦力均匀分布于螺孔四周，故在孔前接触面已传递一半的力，因此最外列螺栓处危险截面的净截面强度应按下式计算：N′σ=≤f An,1其中：An,1= ( b n1 d0 ) t;

f 钢材强度设计值; d0 螺栓孔直径； b 主板宽度；t 主板厚度。

0.5n1 N′= N 1 n n1 计算截面上的螺栓数； n 连接一侧的螺栓总数。0.5——孔前传力系数

图4.2.3摩擦型高强螺栓孔前传力

对于高强度螺栓摩擦型连接的构件，除按上式验算净截面强度外，还应验算毛截面强度。

4.2.2轴心受力构件的刚度计算 (正常使用极限状态)【轴心受力构件刚度控制】通常用长细比λ来衡量，λ越大，表示构件刚度越小；【原因】长细比过大,构件在使用过程中容易因自重产生挠曲，在动力荷载作用下容易产生振动,在运输和安装过程中容易产生弯曲。【容许设计】应使构件长细比不超过规定的容许长细比λ maxl0= ( ) max≤[λ] i

λ= (λx,λ y ) max (4.2.3)

λmax——构件最不利方向的最大长细比； l0——计算长度，取决于其两端支承情况； i——回转半径；i= I A

[λ]——容许长细比，查表。

设计要求：除满足强度和刚度要求外，轴心受压构件还应满足整体稳定和局部稳定要求。

轴心受压构件的整体失稳有三种形式：(a)弯曲失稳、 (b)扭转失稳和(c)弯扭失稳。

图5.2.3轴心受压构件的整体失稳形式

事故实例(魁北克大桥坍塌)1907年8月29日在建的加拿大圣劳伦斯河上的魁北克大桥(钢桁架三跨悬式桥，中跨长 549m,两边跨各长 152m。)因悬伸部分的受压下弦杆整体失稳，导

致已安装的1.9万t钢构件垮了下来，造成75名桥上施工人员遇难。整个事故过程仅 15秒钟。

事故实例(哈特福德体育馆屋顶坍塌)1978年1月18日的风雪夜，美国 Hartford (哈特福德)城体育馆钢网架 (91.44m×109.73 m)因压杆整体失稳而坠落。

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