钢结构之钢柱与钢压杆.ppt

第五章钢柱与钢压杆 5 1应用与构造一 应用桁架 网架 塔架与框架中存在着大量的承受轴心压力的轴心受压构件以及同时承受轴心压力和弯矩的压弯构件 F 基础 二 种类实腹式 格构式 5 2轴心受压实腹式构件的整体稳定 轴心受压实腹式构件的截面设计需要满足强度 刚度 整体稳定性和局部稳定性的要求 其中整体稳定性是主要决定因素 一 理想轴心压杆的临界力理想轴心压杆 1 等截面直杆 2 压力线与形心线重合 3 材质均匀 各向同性 且无限弹性 符合虎克定律 1 理想等直细长轴心压杆的稳定问题欧拉公式 l0 ll0 2ll0 0 5ll0 0 7l 2 非弹性范围的压杆的临界应力 柱子曲线 Q235钢 二 残余应力的影响 实际结构中 理想的轴心压杆是不存在的 由于种种原因 经常出现一些不利的因素 例如杆件的初弯曲 荷载的初偏心等 都在不同程度上使压杆的稳定承载能力降低 影响降低压杆稳定承载能力的主要因素之一是由于残余应力的存在 轧制翼缘板焰切翼缘板 1 不同加工方法的残余应力分布情况 2 残余应力与作用平均应力的叠加 3 非弹性范围的压杆的临界应力 由于残余应力的存在 使压杆截面提前出现塑性区 从而降低了压杆临界应力 降低多少取决于Ie I比值的大小 而Ie I比值又与残余应力的分布与大小 杆件截面的形状以及屈曲时的弯曲方向有关 三 实际轴心压杆的稳定极限承载力1 实际压杆的工作性能存在初始缺陷 初偏心 初弯矩 残余应力 材质不均匀2 压溃理论考虑初偏心和残余应力的影响 将压杆作为一根有小偏心压力作用的偏心压杆 由此求其稳定承载能力的理论方法 3 验算方法 1 根据截面形式 尺寸 加工条件 残余应力的大小和分布等因素 按压溃理论计算出96条无量纲的柱子线 2 采用数理统计和可靠度分析方法 将承载能力相近的按截面形式 屈曲方向和加工条件归纳为a b c三类曲线 稳定系数 3 实腹式轴心受压构件的整体稳定计算公式 注意构件对截面主轴x和y得计算长度可能相等或不相等 在长细比的计算中 为了减小构件在制造 运输和安装过程中因偶然碰撞而产生变形 或在使用中因自重引起得弯曲以及因动载引起的振动而影响正常使用 要保证构件有足够的刚度 对轴心受力构件应按照下式验算刚度 l i 主要结构的压杆的容许长细比为150 支撑中的压杆的容许长细比为200 闸门构件的容许长细比见表5 2 5 3轴心受压实腹式构件的局部稳定1 翼缘板 2 腹板 一 截面形式工字形 圆管 1 等稳性 x y 或 x y 2 宽肢薄壁 3 制造省工 4 连接简便 5 4轴心受压实腹柱的设计 二 截面选择 一 确定截面尺寸A ix iy b1 h 截面形式 计算长度l0和钢材钢号确定的前提下 A 假定长细比 查附录七查出相应的 假定 值时 可参考经验数据 当l0 5 6m N 1500kN时 可假定 70 100 N 1500 3500kN时 可假定 50 70 求对x轴弯曲所需的回转半径ix求对y轴弯曲所需的回转半径iy B 根据假定的 值和等稳定条件 一般取 求得截面所需的回转半径 继而确定所需截面的宽度和高度 系数值根据所选的截面形式由附录八查得 轧制 焊接 二 确定型钢型号或组合截面的其它尺寸1 型钢根据A ix iy查型钢表选型号2 组合截面根据A h b1 考虑制造工艺 并结合钢材规格选择板件尺寸 截面高度h和翼缘宽度b1A 焊接工字形截面ix 0 43h iy 0 24b1l0 x l0y x y B 焊接工字形截面ix 0 43h iy 0 24b1l0 x 2l0y x y 翼缘厚度t1和腹板厚度tw 先选腹板厚度 考虑局部稳定性的影响 三 截面验算1 整体稳定性验算N A f2 局部稳定性验算3 有孔洞削弱 且截面强度验算N An f 四 构造要求1 需设纵向加劲肋的柱以及h0 tw 80时 须成对布置横向加劲肋2 每个运输单元至少应布置两道横向加劲肋3 轴心受压构件的翼缘焊缝为构造焊缝 不作计算 一般hf 6 8mm 5 5轴心受压格构式构件的稳定性一 对实轴 虚轴的稳定性 1 对实轴y的稳定性相当于实腹式受压构件 只考虑了弯矩对临界力的作用 2 对虚轴x的稳定性需考虑弯矩和剪力对临界力的作用 二 对虚轴的临界应力 三 对虚轴的稳定验算 5 6轴心受压格构柱的设计一 构造形式1 双肢槽钢 工字形钢2 四肢角钢3 三肢 四肢钢管 4 角钢缀条和钢板缀板 1 缀条构成桁架体系 刚度大 受力大的柱采用缀条式格构柱 2 缀板构成刚架体系 受力不大的柱采用缀板式格构柱 二 轴心受压格构柱的设计方法 一 由实轴y的稳定性初选单肢截面1 假定长细比 y 按b类查表确定 y 求出所需的总截面面积A N f 以及截面的回转半径iy l0y y2 由A iy查型钢表选择合适规格的型钢 二 由等稳条件 0 x y确定单肢间距1 由 0 x y确定虚轴稳定所需的 x 1 缀条柱 2 缀板柱 2 计算所需的回转半径ix lox x3 计算单肢间距 三 缀条和缀板的设计1 缀材面的剪力确定缀材的作用 保证各单肢的整体工作 1 构件为直线状态时 没有剪力产生 2 绕实轴弯曲时 单肢承受剪力 3 绕虚轴弯曲时 缀材承受剪力 剪力值 由承受剪力的缀材面共同分担 2 缀条的设计 a 单斜式 40 50 b 双斜式 45 c 设置横缀条 45 单根缀条的内力 单角钢缀条为有小偏心的轴心受压杆件 1 整体稳定性 2 焊缝连接计算 3 单肢稳定 3 缀板设计 1 单块缀板承受的垂直剪力 Mb 2 缀板与单肢连接处的弯矩 3 连接焊缝 角焊缝承受扭矩和剪力 缀板与单肢搭接 4 缀板构造尺寸宽度lb 2b1 3 厚度t b1 40 且 6mm 搭接长度20 30mm 5 单肢稳定 四 格构柱的构造要求 1 为增加构件的抗扭刚度需设置横隔 横隔间距 9倍的柱截面的较大宽度及8m 2 在运输单元的端部和较大水平力作用处需设置横隔 3 在格构柱的端部需设缀板 5 7实腹式压弯构件的承载能力受力类型 a 偏心受压 b 轴心压力 端弯矩 c 轴心压力 横向荷载 压弯构件的特点 1 弯矩和压力都是主要的荷载 2 构件可能在弯矩作用平面内 弯矩作用平面外 侧向 发生失稳现象 压弯构件的承载能力决定于构件的强度和整体稳定性 通常由整体稳定性控制 Mx作用平面外的变形 Mx作用平面内的变形 一 弯矩作用平面内的稳定性 1 对于弯矩作用平面内有侧移的框架以及悬臂构件 mx 1 0 有侧移无侧移 等效弯矩系数 mx的取值 2 对于弯矩作用平面内无侧移的框架和两端支承的构件 1 无横向荷载作用 M1 M2为端弯矩 产生同向弯曲时取 产生反向弯曲时取 2 有端弯矩和横向荷载作用时 产生同向弯曲 mx 1 0 产生反向弯曲 mx 0 85 3 无端弯矩 有横向荷载作用时 在跨中有一个横向集中荷载作用时 其它情况 mx 1 0 单轴对称截面 还需验算受拉翼缘 二 弯矩作用平面外的稳定性 1 无横向荷载作用 M1 M2为端弯矩 产生同向弯曲时取 产生反向弯曲时取 等效弯矩系数 tx的取值 2 有端弯矩和横向荷载作用时 产生同向弯曲时 tx 1 0 产生反向弯曲时 tx 0 85 3 无端弯矩 有横向荷载作用 tx 1 0 4 悬臂构件 tx 1 0 三 强度计算 四 刚度计算 一 轴心受压实腹式构件的稳定 按或分类查值 取 由x y方向的长细比较大的方向决定整体稳定性 二 轴心受压格构式构件的稳定 1 对实轴y的稳定由实轴的 y查 y值 2 对虚轴x的稳定由虚轴的换算长细比 0 x查 x值 3 单肢的稳定缀材节点间的单肢是一段轴心受压实腹式构件 4 斜缀条也是轴心受压实腹式构件 三 实腹式压弯构件的稳定1 弯矩作用平面内的稳定性 x轴 2 弯矩作用平面外的稳定性 y轴 5 8偏心受压实腹柱的设计一 截面形式 二 设计方法 一 初选截面结合经验或参照已有工程资料 试选构件截面 然后进行验算 尺寸调整 二 截面验算 2 刚度 3 整体稳定性 1 弯矩作用平面内 2 弯矩作用平面外 1 强度 4 局部稳定性 1 受压翼缘 2 腹板 三 构造要求实腹式压弯构件的构造与实腹式轴心受压柱的要求一致 需布置横向加劲肋 纵向加劲肋等 5 10梁与柱的连接一 顶面连接 二 侧面连接 5 11柱脚一 轴心受压柱脚 铰接 靴梁 轴心受压柱脚的特点 1 为铰接连接 只传递压力 不传递弯矩 2 锚栓只起固定作用 不用计算 3 柱端与底板间的焊缝仅起连接作用 不传力 只考虑靴梁与底板间的焊缝受力 二 偏心受压柱脚 刚接 偏心受压柱脚的特点 1 为刚性结点 要求能传递弯矩和压力 2 锚栓承受弯矩产生的拉力 需进行计算 3 为保证柱脚与基础形成刚性连接 锚栓固定在托座上 从底板外缘穿过 而不宜穿过底板 一 理想的轴心压杆的稳定 2 非弹性阶段 欧拉公式 1 弹性阶段 第五章小结 二 实际轴心压杆的稳定考虑初始缺陷对实际压杆稳定的影响 依据压溃理论 将实际的轴心压杆当作一根有小偏心压力作用的偏心压杆 柱子曲线 实际轴心压杆的整体稳定计算公式 三 轴心受压实腹式构件的稳定问题 按或分类查值 取 分别计算x y方向的长细比 四 轴心受压实腹柱的设计 2 由 求x y轴的回转半径ix iy 3 由 1 假定长细比 查 值 1 确定截面所需面积 1 型钢 根据A ix iy查选型钢规格 2 组合截面 根据A h b1 并考虑制造工艺 钢材规格选择组合钢板的尺寸 2 确定型钢规格或钢板尺寸 3 截面验算 1 整体稳定性验算 2 局部稳定性验算 3 刚度验算 4 强度验算 五 轴心受压格构式构件的稳定性 1 对实轴y的稳定由实轴的 y查 y值 2 对虚轴x的稳定由虚轴的换算长细比 0 x查 x值 1 由实轴y的稳定性初选单肢截面 1 假定长细比 y查 y值 求出所需的截面积及回转半径 2 由A iy查选型钢规格 六 轴心受压格构柱的设计 2 由虚轴x的稳定性确定单肢间距 1 由等稳条件 0 x y确定虚轴的 x 2 计算虚轴的回转半径ix lox x 3 计算单肢间距 3 缀材的设计 1 缀条的设计单角钢缀条为有小偏心的轴心受压杆件 整体稳定性 单肢稳定 焊缝连接计算 2 缀板设计 连接焊缝计算 单肢稳定 按构造确定缀板尺寸 七 偏心受压实腹式构件的稳定性 1 弯矩作用平面内的稳定性 x轴 2 弯矩作用平面外的稳定性 y轴 八 偏心受压格构柱的设计 一 弯矩绕虚轴作用 Mx 2 单肢的稳定 x0 y轴 单肢作为轴心受压实腹式构件 验算在x y轴方向上的稳定 1 弯矩作用平面内的稳定 x轴 1 弯矩作用平面内的稳定 y轴 二 弯矩绕实轴作用 My 2 弯矩作用平面外的稳定 x轴 l0 x 12m l0y 4m 失稳方向与支承方向的关系 对x轴失稳约束Ry lx l 2对y轴失稳约束Rx ly l 2 Mx作用My作用 对x轴失稳 对y轴失稳 。